Mark Denny and Alan McFadzean. Rocket Science: From Fireworks to the Photon Drive. Springer, 2019. 311 pages.
Це книжка про ракетну науку: що це таке і чим займається. Від найперших фоєрверків до космічних кораблів на ядерній енергії — все, що ви коли-небудь хотіли або мали потребу знати з цієї теми, є тут, разом із простим поясненням того, як, чому і коли щось працює, а іноді й ні.
Ми починаємо з історії та роботи ранньої наземної ракетної техніки, а потім переходимо до основної теми книжки: як ми потрапляємо в космос і, при нагоді, назад. Повністю без математики, розділи сплітають воєдино незліченні анекдоти, приклади з реального світу та прості інструкції, щоб допомогти читачам розібратися в складній фізиці, яка стоїть за деякими з найдивовижніших подвигів людства.
Ані чистий підручник, ані популістське видання про космічні подорожі, ця книжка навчатиме, інформуватиме і насамперед розважатиме всіх, хто заінтригований ракетною наукою.
Про авторів
Доктор Марк Дені проводив дослідження з теоретичної фізики в Единбурзькому та Оксфордському університетах, перш ніж розпочати 20-річну кар’єру в аерокосмічній промисловості як інженер із радіолокаційних та гідролокаційних систем. Він автор понад п'ятдесяти технічних праць із багатьох тем фізики та техніки. Тепер Марк вийшов на пенсію і живе на острові Ванкувері на заході Канади, де написав чотирнадцять науково-популярних книжок. Детальнішу інформацію про них можна знайти на його вебсайті: https://markdennybooks.wordpress.com.
Доктор Алан Макфеджен проводив дослідження з астрономії та астрофізики в університетах Сент-Ендрюса, Центрального Ланкаширу та Бірмінгему, Велика Британія, де вперше ознайомився з космічними платформами. Потім почаав кар’єру інженера, працюючи як над бортовими радарами, так і над системами вимірювання видобутку нафти та газу, але не одночасно. Алан живе в Единбурзі, Шотландія. Це його друга науково-популярна книжка.
Передмова — Злітаймо
Багатьох читачів цікавлять ракети, але не математика, і тому вашим авторам доводиться шукати квадратуру круга — щоб представити технічний предмет проникливо, не викладаючи його мовою, яка забезпечує розуміння. Ми робимо це, ретельно вибираючи, які аспекти ракетної техніки аналізувати математично, і відносячи всю математику до технічного додатка. Отже, ті з вас, хто не любить читати математичний аналіз, можуть зупинитися на основному тексті, де плавна і безперервна проза висвітлює ракетну техніку (вам доведеться повірити нам на слово, що аналіз правильний). Ті читачі, які жадають математики — а вони не такі рідкісні створіння, як могли б ви припустити — виявлять, що виведення, надані в технічному додатку, повні, хоча й скорочені. Фізика середньої школи допоможе вам подолати основний текст; для додатка необхідна університетська фізика та математика.
Зазвичай ми використовуємо наукові одиниці та позначення. Отже: метри замість футів і кілометри замість миль, хоча ми іноді надаємо і ті, і ті, особливо в історичному контексті. Швидкість тут вимірюється в метрах на секунду і позначається мс-1, а не м/с. Ось ваше перше перетворення: 1 мс-1 = 2,24 милі/год. Пришвидшення вимірюється в мс-2: пришвидшення сили тяжіння на поверхні Землі становить g = 9,8 мс-2 = 32 фути на секунду на секунду. У безрозмірних одиницях ми говоримо, що це 1 g (тому пришвидшення 25 мс-2 дорівнює 2,55 g). Ми використовуємо G для представлення сили, яка виникає внаслідок пришвидшення g, так що астронавт у центрифузі, підданій пришвидшенню 2 g, відчує G-силу, що дорівнює двом – подвійній його вазі.
Нас двоє авторів. Ми написали різні розділи, і коли ми їх об’єднали, щоб утворити ранню версію повного рукопису, то виявили, природно, що деякі важливіші теми повторювалися — зі стилістичними відмінностями. Зазвичай ми видаляли той чи інший опис такого повторюваного матеріалу (залишивши зрозумілішу версію), але іноді ми зберігали обидві, де це, здається, сприяє ясності або підкреслює важливий момент.
Примітка щодо термінології: першою людиною в космосі був Юрій Ґаґарін, совєтський громадянин. Совєти та їхні російські наступники завжди називали своїх космічних мандрівників «космонавтами»; всі інші відомі як «астронавти». «Космо» походить від космосу, тобто весь Всесвіт, а «астро» походить від зір. Для простоти будемо називати їх усіх астронавтами, і поки що жоден з них не був далі, ніж Місяць. Ще зарано… У тому ж ключі ми іноді використовуємо «російський» як «совєтський», тому що СССР можна вважати Російською імперією під новим керівництвом. Після розпаду СССР ми тримаємося слова «російський».
Більше термінології: як і всі технічні предмети, ракетна техніка та космічні подорожі сповнені жаргону, абревіатур і скорочень. Ось кілька найпоширеніших, щоб підняти вам настрій — ми означимо їх у тексті під час першого вжитку, але якщо згодом ви забудете, що вони означають, то можете повернутися до цієї передмови.
•ABM Anti-Ballistic Missile/Протиракета
• AI Artificial Intelligence/ Штучний інтелект
• CONOPS CONcept of OperationS/Поняття дії
• ESA European Space Agency/ Європейське космічне агентство
• GNC Guidance, Navigation and Control/ Наведення, навігація та керування
• GSO GeoSynchronous Orbit or GeoStationary Orbit/ Геосинхронна орбіта або геостаціонарна орбіта
• GTO Geostationary Transfer Orbit/Геостаціонарна перехідна орбіта
• ICBM Inter-Continental Ballistic Missile/ Міжконтинентальна балістична ракета
• IRBM Intermediate Range Ballistic Missile/ Балістична ракета середньої дальності
• ISS International Space Station/ Міжнародна космічна станція
• LEO Low Earth Orbit/ Низька навколоземна орбіта
• MIRV Multiple Independently-Targetable Re-Entry Vehicle/Роздільна головна частина з блоками індивідуального наведення
• NASA National Aeronautics and Space Administration/ Національна адміністрація з аеронавтики і дослідження космічного простору (НАСА)
• NEO Near-Earth Orbit/Навколоземні об’єкти
• R&D Research and Development/ Науково-дослі́дницька та конструкторська праця
• RPG Rocket-Propelled Grenade/Ручний протитанковий гранатомет
• SSTO Single Stage To Orbit/Одноступеневий космічний корабель (Один-ступінь-до-орбіти)
На момент написання ми відзначаємо 50-ту річницю першої висадки «Аполона» на Місяць. Ракетою, яка підняла місячний модуль з його людським вантажем, вирвавши із-під земного тяжіння, був «Сатурн V» — найпотужніша ракета, що досі літала. У цій книжці ми побачимо, що ракети, якими ми їх знаємо, досягли піку в «Сатурні V» — майбутні ракети будуть інші, з більшими мізками (обчислювальна потужність на борту «Сатурну V» була слабка проти тої, що ви носите з собою у смартфоні) і меншою потужністю. Вони виконуватимуть ширший спектр завдань, для яких будуть точно настроєні — деякі з цих майбутніх ракет навіть не будуть ракетами. Через сто років ми піднімемося на орбіту зовсім інакшим способом, оминаючи потребу в хемічних ракетних двигунах, що, як ми побачимо, лише здатні подолати гравітацію Землі. Одного разу з орбіти ми відправимо людей до Марсу або зір машинами, які знову ж таки будуть зовсім інакші. Ця книжка прославляє старомодні ракети, такі як «Сатурн V», дивлячись назад і трохи вперед (ці динозаври будуть з нами ще кілька десятиліть), але також звертаємо сповнені цікавості очі на їх замінники.
Вікторія, Британська Колумбія, Ванкувер, Канада Марк Дені
Единбург, Велика Британія Алан Макфеджен
Зміст
1. Чому ракети?
2. Історія: після фоєрверків з'явилася зброя та космічний корабель
3. Теорія: Ракетне рівняння і не тільки
4. Поєхалі! У космос і назад
5. Ракетна тяга і наведення
6. Ступінь керування
7. У майбутньому
Технічний додаток
Висновок — Приводнення
Бібліографія
Показник
Ракетна наука: Від фоєрверків до фотонного рушія
Ракетна наука: Від фоєрверків до фотонного рушія
Востаннє редагувалось Сер березня 16, 2022 7:39 pm користувачем Кувалда, всього редагувалось 3 разів.
Re: Ракетна наука: Від фоєрверків до фотонного рушія
почаав
2,24 миль/год -> милі
Національне адміністрація
Внкувер
2,24 миль/год -> милі
Національне адміністрація
Внкувер
Re: Ракетна наука: Від фоєрверків до фотонного рушія
поправив, дякую
Re: Ракетна наука: Від фоєрверків до фотонного рушія
1. Чому ракети?
Чому насправді. Ракети вперше використали понад тисячу років тому як фоєрверки та військову зброю, а в наші дні — протягом останніх шістдесяти років — як транспортні засоби для доставляння корисного вантажу в космос. Як військова зброя вони були щось на кшталт прикраси протягом більшої частини свого існування — справляли враження, але виконували незначну роль, граючи другу скрипку після стріл, а потім артилерійських набоїв. Лише в минулому столітті вони вийшли з тіні як двигуни мегасмерті (що зазвичай привертало увагу людей). І що?
Ні фоєрверки, ні МБР (міжконтинентальні балістичні ракети) — не те, чому ми вважаємо ракети такими інтрижними. Основна причина, чому ракети звично були в заголовках новин і в центрі суспільної уваги в останні покоління, полягає в тому, що вони єдиний засіб, який ми тепер маємо для відправляння корисного вантажу в космос, — у цьому їхня чарівність.
Цей попередній розділ книжки – путівник — начерк — до багатьох предметів багатогранної теми ракетної техніки, який розповідає, де в дальших розділах ви знайдете їх обговорення, аналіз, критичний розгляд чи інший розбір.
Вам, мабуть, цікаві ракети, інакше ви б не взяли до рук цієї книжки. Ми мусили вважати їх цікавими, щоб її написати. Насправді, коли ми запропонували нашу книжку видавцеві, то відзначили, що в його каталозі назв уже є кілька книжок про ракети, тому багато інших людей мають знайти щось цікаве про ці дивні, надзвичайні машини.
Дивність №1: ракета – це машина для переміщення ракетного палива. Істинність і значення цієї дивної тавтології стане зрозумілою в розділі 3, де ми розглядаємо та пояснюємо ключову фізику, що лежить в основі ракетної техніки. Дивність №2: перше ракетне паливо було винайдене ще до появи першої ракети (пояснено в розділі 2, де ми заглиблюємося в історію ракет). Дивність № 3: теорія ракетної техніки була розроблена за кілька років до теорії польоту — у той самий рік, коли брати Райти виконали першу коротку спробу моторного польоту в морозний день у грудні 1903 року. Політ відбувся першим лише через труднощі потрапляння в космос.
Частково привабливість ракет, безсумнівно, пов’язана з їх незвичайністю і різноманітністю (підкреслено на рис. 1.1, де показано два дуже різні ракетні запускачі). Контраст у масштабі може бути показовим для закріплення привабливості. Ми знайомі з ракетами-фоєрверками, які запускають із пляшок, і тому, можливо, можемо краще оцінити масивні машини, що ми бачимо в телевізорі, які запускають супутники в космос. Як побачимо, існує континуум масштабів між ракетами-палками, запущеними з молочних пляшок, і «Сатурном V», що запускав місячні зонди: ентузіасти ракет — члени ракетних товариств, які існують майже століття в багатьох країнах світу (розділ 2) — розробляють, будують і запускають сьогодні ракети, які можуть піднятися всього на двадцять метрів у повітря чи досягти краю космосу. Конструювання великих носіїв, таких як «Сатурн V», сильно відрізняється від конструювання маленьких фоєрверкових ракет, але фізика руху така ж (розділи 3 і 4).
Рис. 1.1. Два ракетні пускові майданчики. (a) Пусковий майданчик 39-A в Космічному центрі Кенеді у Флориді. «Аполон-11» був запущений звідси вгорі знаменитої важкої ракети «Сатурн V», як і перший та останній космічні шатли. (НАСА передало 39A в оренду компанії «SpaceX» на 20 років.) 39A побудовано з 120 000 кубічних ярдів (92 000 м3) бетону і 8 000 тон армованої сталі, і його будівництво зайняло два роки. Зображення НАСА. (b) Скляна молочна пляшка, яка використовується для запуску паличних ракетних фоєрверків, місткістю 2 унції. (Також можна використовувати для зберігання молока.) Виготовлено з 0,0005 тони скла. Зображення «MBS Wholesale Supplies».
Повторюємо, головна причина, чому люди люблять ракети, – це зв’язок між ракетами і космосом. Космос — чорне ніщо над нашою атмосферою, холодний вакуум між зірками — був джерелом захоплення відтоді, як люди вночі почали дивитися вгору. Вся суша Землі досліджена, і навіть глибини Світового океану виміряні, нанесені на карту й класифіковані (хоча б за допомогою дистанційно керованих підводних човнів); те, що залишилося досліджувати, міститься там, у космосі. Як піднятися в космос — дослідити його, допомогти нам зрозуміти, як цокає Всесвіт, колонізувати інші світи — практичне питання, яке займає уяву деяких далекоглядних інженерів, науковців і письменників з кінця ХІХ ст. (розділ 2). Ракетна техніка — єдина технологія, яка може перенести нас з поверхні Землі в космос. (Це спостереження, справедливе протягом останніх ста років, може скоро змінитися (розділ 7).) Не просто доставити нас туди: ракети – (майже) єдиний засіб руху в космосі (чому реактивні літаки не годяться? Див. розділ 3).
Космічна гонитва, публічний образ холодної війни, була певною мірою конкуренцією між двома групами колишніх нацистських науковців-ракетників (розділ 2), принаймні на її ранніх етапах. Труднощі з доставленням людського корисного навантаження на Місяць були частково фізичними, але здебільшого інженерними (розділи 4 і 5). Як керувати стометровим стосом токсичного, корозійного та вибухонебезпечного ракетного палива на пусковому майданчику? Що завадило «Сатурнові V» перекинутися протягом перших кількох секунд після злету, коли ракета рухалася від пускового майданчика? Відповіді – в розділах 5 і 6, де ми взялися розповісти вам про системи наведення та керування. Хемія також зіграла певну роль в отриманні найкращих можливих паливних речовин (розділ 5). Усі ці розробки ракет виникли протягом десятиліть накопичуваного досвіду, перемежовуваного безліччю невдалих запусків, вибухів на пусковому майданчику та в небі, а також несправних компонентів під час запуску та в космосі. Чиста фізика ракетної техніки в атмосфері Землі та у вакуумі космосу була розроблена задовго до того, як перша успішна ракета масового виробництва (німецька V2) злетіла з пускового майданчика (на відміну від польоту в повітрі, де теорія спочатку відставала від практики). Труднощі та практичні проблеми, які необхідно було розв’язати, щоб людство могло перейти від балістичної ракети Другої світової війни до запуску ракети на Місяць, на подолання яких знадобилося ціле покоління, мало пов’язані з фізикою; як ми побачимо, майже всі вони були технічними проблемами.
Основна тема цієї книжки – ракети, пов'язані з пусковим майданчиком на рис. 1.1а; тут же обговорюються ті, що пов'язані з пусковим майданчиком на рис. 1.1b. Скайрокети (skyrocket) – традиційний повітряний фоєрверк. Сьогодні для великих публічних дійств повітряні фоєрверки часто запускають за допомогою мінометів, але в минулому і на багатьох подвір’ях сьогодні невеликий фоєрверк прикріплюють до палиці, поміщеної в молочну пляшку. Палиця – простий приклад стабілізації оперенням. Ідея полягає в тому, що ракета пришвидшується з молочної пляшки дуже швидко, тому до моменту, коли втрачає контакт з пляшкою, вона рухається досить швидко, щоб на палку вплинув аеродинамічний опір, що утримує ракету у вертикальному положенні (розділ 5). Отже, молочна пляшка орієнтує ракету вертикально під час запуску ракети, а палиця утримує її вертикально під час польоту. У всякому разі, це теорія, і вона працює більшість часу.
Технічно класифіковані як піротехнічні пристрої з малопотужною вибуховою речовиною (low explosive pyrotechnic devices), фоєрверки починалися просто з пороху, упакованого в бамбукові трубки. Винайдені в Китаї на початку дев’ятого століття, майже напевно, як наслідок набагато раніше винайденого пороху, фоєрверки стали великою справою в Китаї і відтоді майже такою ж там і залишаються. Китай виробляє більше фоєрверків, ніж будь-яка інша країна; так було тисячу років тому і так це сьогодні. Професійні виробники фоєрверків і організатори фоєрверків існували в Китаї від самого початку. Фоєрверки вважали сприятливими: вони допомагали відганяти злих духів, відзначати великі свята та державні події. Сьогодення це теж стосується, з більшим акцентом на ключових святах, і меншим на злих духах. Багато країн світу влаштовують фоєрверки до великих подій, таких як Місячний фестиваль (Свято середини осені) в Китаї та четверте липня в Сполучених Штатах (з фоєрверками святкують День незалежності США, починаючи від найпершого). Особливо багато країн світу зустрічають Новий рік опівночі за місцевим часом із величезними демонстраціями повітряних піротехнічних засобів, які транслюються по всьому світу.
Сучасні фоєрверки, як не дивно, набагато високотехнологічніші, ніж перші наповнені порохом бамбукові засоби. Нині найбільший повітряний фоєрверк важить пів тони, його вистрілюють з міномета в Японії кожного 9–10 вересня на висоту 850 м (пів милі), де він вибухає розеткою діаметром 800 м. Найвища будівля у світі (828 м) – Бурдж Халіфа в Дубаї; кожного Нового року це майданчик для величезної піротехнічної демонстрації, бо 1,6 тони фоєрверків вибухають з усіх чотирьох боків (і зверху) протягом 10 хвилин. Нинішній рекорд найшвидшого випуску феєрверків також був встановлений у Дубаї в 2013 році: 479 651 випущених зарядів за шість хвилин. Це 1332 за секунду. Наймасштабнішим фоєрверком стало чергове святкування Нового року, цього разу в 2015–2016 роках на Філіпінах: 810 904 випущено протягом 1,5 години під зливою. Багато з цих піротехнічних дійств — і інші, не описані тут, як-от найбільший у світі фоєрверк «Кетрін віл» та найбільший у світі бенгальський світильник — можна переглянути на ютюбі1.
Ефектні кольори феєрверків – сучасна інновація, і здебільшого зумовлені солями металів, які змішують із порохом. Додавання карбонату стронцію дає яскраве червоне світло, магній, стоплений з алюмінієм, дає дуже яскраве біле світло (згадаймо ті старомодні лампи-спалахи фотоапарата; вони спалювали магній), хлорид міді дає синє світло. Додайте хлорид барію – для зеленого, хлорид кальцію – для оранжевого і стару добру кухонну сіль, хлорид натрію – для жовтого. Залізний, алюмінієвий і титановий пил хороші для яскравих сріблястих іскор. Цинковий пил створює чудовий дим.
Як ми бачили, скромніші та традиційніші скайрокети стріляють не з мінометів, а з молочних пляшок. Робоча частина цих ракет-палок зазвичай становить паперову або картонну трубку, наповнену порохом. Коли запал загоряється, запалюється порох. Утворюється газ і виривається з нижнього кінця трубки, штовхаючи ракету в небо. (Це нетехнічний опис дії ракети — «зі свистом», певно, не науковий описувач.) Технічний опис наведено в розділі 3; ця фізика стосується пляшкових ракет, «Сатурна V» і всього проміжного.
Чому ракети? Використовувані як військові, а потім і культурні прикраси з історичних часів, як ми побачимо, ракети набули серйозного значення під час холодної війни, як двигуни балістичних ракет. Потім конструкції ракет зростали, розквітали, подовжувалися та розширювалися, щоб відправити людей у космос під час космічної гонитви. Це було тоді, коли ракети справді захопили уяву широкої громадськості по обидва боки залізної завіси. Так, ракети існували з незапам’ятних часів, але це неважливо. Так, вони стали важливими як МБР, але велика частина цього розвитку була секретною, поза увагою громадськості. Однак космос відкритий для громадськості вночі, і дістатися туди стало можливо за допомогою ракет часів холодної війни. Наше давнє захоплення космосом і перспектива дійсно когось туди відправити (можливо, особливо перспектива випередити росіян або американців, залежно від вашого табору часів холодної війни) поставили ракети та їх розроблення на передній край і в центр. Маленькі ракети можуть доставити фоєрверк у небо, тож, певно, великі ракети могли доставити Юрія в космос, а Ніла — на Місяць.
А потім... куди?
Ці ракетні товариства все ще процвітають. Вони завжди були актуальні, але тихо відійшли в тінь, коли уряди, а нещодавно й приватні підприємства зацікавилися ракетами. За словами одного сучасного автора, «...звичайні громадяни... були в захваті від великої космічної мрії і в кінці 1920-х і в 1930-х роках через мережу товариств повідомляли про ракетну техніку»2. Любителі космосу запустили сорок супутників на орбіту за останні пів століття для радіоаматорського зв'язку або як проєкти астрономів-аматорів. Однак для деяких товариств ракетна техніка – кінцевий продукт, а не просто засіб досягнення мети. Наприклад, Товариство з дослідження реактивної техніки (Reaction Research Society), що базується в Каліфорнії, встановило рекорд висоти, досягнутої за допомогою ракети, розробленої аматором (Джордж Гарбоден): у 1996 році ракета, запущена з пустелі Блек-Рок, штат Невада, досягла висоти 80 км (50 миль). Інша аматорська група, Цивільна команда дослідження космосу (Civilian Space eXploration Team – CSXT), побила його, а потім побила знову, встановивши поточний рекорд висоти, 118 км, у 2014 році.
На іншому кінці шкали дуже маленькі ракети (справді фоєрверки) коштують долар або два. Найменші можуть піднятися в повітря на 5–10 м. Моделі аматорських ракетних двигунів класифікуються відповідно до імпульсу, який вони генерують (імпульс — це тяга — сила, створювана двигуном — помножена на час горіння). Клас двигуна позначають, збільшуючи величину: micro, ¼A, ½A, A, B, C,... …S. Імпульс збільшується вдвічі щоразу, коли підвищується клас, тому найпотужніші з цих аматорських двигунів мають у два мільйони разів більшу тягу, ніж найменші. (Звісно, професійні ракети для запуску на Місяць і сучасні важкі ракети виходять за межі тяги навіть найпотужніших аматорських ракет — у 30 000 разів більша, ніж у ракети класу S.) Вартість зростає приблизно пропорційно імпульсові: ви можете купити на «Амазоні» комплект, що складається з ракети з двигуном класу C і пускачем, за 30 доларів, тоді як двигун класу S CSXT «GoFastrocket», який досягає космосу, коштуватиме вам понад 50 000 доларів. Усе, що не досягає класу G, позначається як модель ракети, яку можна просто придбати, вона не підлягає регулюванню. Якщо двигун від класу H до класу O, то він запускає ракету високої потужності й підлягає державному регулюванню в Сполучених Штатах дедалі більше, бо імпульс збільшується (сертифікація рівня 1 для класів H і I; рівень 2 – для J, K, L; рівень 3 – для M, N, O.) Американське регулювання (ступінь регулювання варіюється від країни до країни) означає ліцензію на використання малопотужних вибухових речовин, відмову/звільнення (waiver) від Федеральної авіаційної адміністрації (FAA) та сертифікат, який передбачає письмові іспити. FAA має право голосу щодо польоту вашої ракети високої потужності, тому що, звісно, потужніші ракети літають вище (понад три кілометри або 10 000 футів) й інакше можуть стати перешкодою для висотних літальних апаратів. Правила та поради щодо конструкції та експлуатації ракет, а також більше технічних статей – яких більше, ніж ви собі можете уявити, – доступні в ряді національних ракетних організацій, таких як два органи, що наглядають за високопотужною ракетною технікою в США: Національна асоціація ракетної техніки та Ракетна асоціація «Триполі»3.
Модельні ракети здебільшого працюють на пороховому паливі, але високопотужні ракети зазвичай мають композитне паливо, і вони можуть бути багатоступінчатими з різним паливом на кожному ступені. Усі, крім ракет із найнижчими імпульсами, повторновикористовні — їх можна відновити (зазвичай після спуску з парашутом) і оснастити новим двигуном. Середньо- і високоімпульсні ракети несуть корисні навантаження: будь-що, від камери до наукових приладів, які можуть спостерігати та записувати атмосферні чи космічні дані4.
Резюме плану цієї книжки: історія, фізика, інженерія, тяга, керування, наведення і, нарешті, «Що далі». Математичний аналіз міститься в Додатку для читачів, які жадають фізики. Наш виклад не потребує спеціальної підготови (і повітря, і космос), тому ми не будемо ухилятися від крутої інженерії, але будемо ухилятися від її деталей. В останньому розділі ми підходимо теоретично, і уява стає необхідною для читача поряд із технічним інтересом до ракетної науки.
Рекомендована література
1. Burrows, W.E. This New Ocean: The Story of the First Space Age. (New York: Random House, 1998).
2. Plimpton, G. Fireworks: A History and Celebration. (New York: Doubleday, 1984).
3. Werrett, S. Fireworks: Pyrotechnic Arts and Sciences in European History. (Chicago: University of Chicago Press, 2010).
Виноски
1. Про феєрверки див. на ютюбі, див., напр., What if You Burn 10 000 Sparklers?, Largest Catherine Wheel On Earth Guinness World Record, Watch Dubai New Year 2019 fireworks in full. Докладніше про всі аспекти фоєрверків див. у Plimpton (1984), Werrett (2010). Дивіться також онлайн-статтю в «Wired» Дж. Ґрінберґа: What’s Inside Fireworks: Glitter Starch and Gunpowder at www.wired.com/2015/07/whats-inside-fireworks/.
2. Цитата взята з Burrows (1998), с. 64.
3. Вебсайт Національної асоціації ракетної техніки – www.nar.org. Щоб отримати інформацію про Асоціацію ракетної техніки Тріполі, перейдіть на сайт www.tripoli.org. Багато інших країн мають власні національні аматорські ракетні товариства. Правила, що регулюють їх запуск, дуже відрізняються від країни до країни.
4. Є багато відео на ютюбі про аматорські запуски ракет, які охоплюють спектр ракетних розмірів. Про ракети з низьким імпульсом, які сягають висоти 450 м (1500 футів), дивіться, наприклад, ракетне змагання кількох сповнених ентузіазму молодих хлопців на «Model Rocket Battle»; щодо серйознішого висвітлення та потужніших ракет дивіться «Top 5 Amateur Space Launches That Actually Worked» та «GoPro: Awards: On a Rocket Launch to Space». На останніх відео показані багатоступеневі ракети з бортовими камерами.
Чому насправді. Ракети вперше використали понад тисячу років тому як фоєрверки та військову зброю, а в наші дні — протягом останніх шістдесяти років — як транспортні засоби для доставляння корисного вантажу в космос. Як військова зброя вони були щось на кшталт прикраси протягом більшої частини свого існування — справляли враження, але виконували незначну роль, граючи другу скрипку після стріл, а потім артилерійських набоїв. Лише в минулому столітті вони вийшли з тіні як двигуни мегасмерті (що зазвичай привертало увагу людей). І що?
Ні фоєрверки, ні МБР (міжконтинентальні балістичні ракети) — не те, чому ми вважаємо ракети такими інтрижними. Основна причина, чому ракети звично були в заголовках новин і в центрі суспільної уваги в останні покоління, полягає в тому, що вони єдиний засіб, який ми тепер маємо для відправляння корисного вантажу в космос, — у цьому їхня чарівність.
Цей попередній розділ книжки – путівник — начерк — до багатьох предметів багатогранної теми ракетної техніки, який розповідає, де в дальших розділах ви знайдете їх обговорення, аналіз, критичний розгляд чи інший розбір.
Вам, мабуть, цікаві ракети, інакше ви б не взяли до рук цієї книжки. Ми мусили вважати їх цікавими, щоб її написати. Насправді, коли ми запропонували нашу книжку видавцеві, то відзначили, що в його каталозі назв уже є кілька книжок про ракети, тому багато інших людей мають знайти щось цікаве про ці дивні, надзвичайні машини.
Дивність №1: ракета – це машина для переміщення ракетного палива. Істинність і значення цієї дивної тавтології стане зрозумілою в розділі 3, де ми розглядаємо та пояснюємо ключову фізику, що лежить в основі ракетної техніки. Дивність №2: перше ракетне паливо було винайдене ще до появи першої ракети (пояснено в розділі 2, де ми заглиблюємося в історію ракет). Дивність № 3: теорія ракетної техніки була розроблена за кілька років до теорії польоту — у той самий рік, коли брати Райти виконали першу коротку спробу моторного польоту в морозний день у грудні 1903 року. Політ відбувся першим лише через труднощі потрапляння в космос.
Частково привабливість ракет, безсумнівно, пов’язана з їх незвичайністю і різноманітністю (підкреслено на рис. 1.1, де показано два дуже різні ракетні запускачі). Контраст у масштабі може бути показовим для закріплення привабливості. Ми знайомі з ракетами-фоєрверками, які запускають із пляшок, і тому, можливо, можемо краще оцінити масивні машини, що ми бачимо в телевізорі, які запускають супутники в космос. Як побачимо, існує континуум масштабів між ракетами-палками, запущеними з молочних пляшок, і «Сатурном V», що запускав місячні зонди: ентузіасти ракет — члени ракетних товариств, які існують майже століття в багатьох країнах світу (розділ 2) — розробляють, будують і запускають сьогодні ракети, які можуть піднятися всього на двадцять метрів у повітря чи досягти краю космосу. Конструювання великих носіїв, таких як «Сатурн V», сильно відрізняється від конструювання маленьких фоєрверкових ракет, але фізика руху така ж (розділи 3 і 4).
Рис. 1.1. Два ракетні пускові майданчики. (a) Пусковий майданчик 39-A в Космічному центрі Кенеді у Флориді. «Аполон-11» був запущений звідси вгорі знаменитої важкої ракети «Сатурн V», як і перший та останній космічні шатли. (НАСА передало 39A в оренду компанії «SpaceX» на 20 років.) 39A побудовано з 120 000 кубічних ярдів (92 000 м3) бетону і 8 000 тон армованої сталі, і його будівництво зайняло два роки. Зображення НАСА. (b) Скляна молочна пляшка, яка використовується для запуску паличних ракетних фоєрверків, місткістю 2 унції. (Також можна використовувати для зберігання молока.) Виготовлено з 0,0005 тони скла. Зображення «MBS Wholesale Supplies».
Повторюємо, головна причина, чому люди люблять ракети, – це зв’язок між ракетами і космосом. Космос — чорне ніщо над нашою атмосферою, холодний вакуум між зірками — був джерелом захоплення відтоді, як люди вночі почали дивитися вгору. Вся суша Землі досліджена, і навіть глибини Світового океану виміряні, нанесені на карту й класифіковані (хоча б за допомогою дистанційно керованих підводних човнів); те, що залишилося досліджувати, міститься там, у космосі. Як піднятися в космос — дослідити його, допомогти нам зрозуміти, як цокає Всесвіт, колонізувати інші світи — практичне питання, яке займає уяву деяких далекоглядних інженерів, науковців і письменників з кінця ХІХ ст. (розділ 2). Ракетна техніка — єдина технологія, яка може перенести нас з поверхні Землі в космос. (Це спостереження, справедливе протягом останніх ста років, може скоро змінитися (розділ 7).) Не просто доставити нас туди: ракети – (майже) єдиний засіб руху в космосі (чому реактивні літаки не годяться? Див. розділ 3).
Космічна гонитва, публічний образ холодної війни, була певною мірою конкуренцією між двома групами колишніх нацистських науковців-ракетників (розділ 2), принаймні на її ранніх етапах. Труднощі з доставленням людського корисного навантаження на Місяць були частково фізичними, але здебільшого інженерними (розділи 4 і 5). Як керувати стометровим стосом токсичного, корозійного та вибухонебезпечного ракетного палива на пусковому майданчику? Що завадило «Сатурнові V» перекинутися протягом перших кількох секунд після злету, коли ракета рухалася від пускового майданчика? Відповіді – в розділах 5 і 6, де ми взялися розповісти вам про системи наведення та керування. Хемія також зіграла певну роль в отриманні найкращих можливих паливних речовин (розділ 5). Усі ці розробки ракет виникли протягом десятиліть накопичуваного досвіду, перемежовуваного безліччю невдалих запусків, вибухів на пусковому майданчику та в небі, а також несправних компонентів під час запуску та в космосі. Чиста фізика ракетної техніки в атмосфері Землі та у вакуумі космосу була розроблена задовго до того, як перша успішна ракета масового виробництва (німецька V2) злетіла з пускового майданчика (на відміну від польоту в повітрі, де теорія спочатку відставала від практики). Труднощі та практичні проблеми, які необхідно було розв’язати, щоб людство могло перейти від балістичної ракети Другої світової війни до запуску ракети на Місяць, на подолання яких знадобилося ціле покоління, мало пов’язані з фізикою; як ми побачимо, майже всі вони були технічними проблемами.
Основна тема цієї книжки – ракети, пов'язані з пусковим майданчиком на рис. 1.1а; тут же обговорюються ті, що пов'язані з пусковим майданчиком на рис. 1.1b. Скайрокети (skyrocket) – традиційний повітряний фоєрверк. Сьогодні для великих публічних дійств повітряні фоєрверки часто запускають за допомогою мінометів, але в минулому і на багатьох подвір’ях сьогодні невеликий фоєрверк прикріплюють до палиці, поміщеної в молочну пляшку. Палиця – простий приклад стабілізації оперенням. Ідея полягає в тому, що ракета пришвидшується з молочної пляшки дуже швидко, тому до моменту, коли втрачає контакт з пляшкою, вона рухається досить швидко, щоб на палку вплинув аеродинамічний опір, що утримує ракету у вертикальному положенні (розділ 5). Отже, молочна пляшка орієнтує ракету вертикально під час запуску ракети, а палиця утримує її вертикально під час польоту. У всякому разі, це теорія, і вона працює більшість часу.
Технічно класифіковані як піротехнічні пристрої з малопотужною вибуховою речовиною (low explosive pyrotechnic devices), фоєрверки починалися просто з пороху, упакованого в бамбукові трубки. Винайдені в Китаї на початку дев’ятого століття, майже напевно, як наслідок набагато раніше винайденого пороху, фоєрверки стали великою справою в Китаї і відтоді майже такою ж там і залишаються. Китай виробляє більше фоєрверків, ніж будь-яка інша країна; так було тисячу років тому і так це сьогодні. Професійні виробники фоєрверків і організатори фоєрверків існували в Китаї від самого початку. Фоєрверки вважали сприятливими: вони допомагали відганяти злих духів, відзначати великі свята та державні події. Сьогодення це теж стосується, з більшим акцентом на ключових святах, і меншим на злих духах. Багато країн світу влаштовують фоєрверки до великих подій, таких як Місячний фестиваль (Свято середини осені) в Китаї та четверте липня в Сполучених Штатах (з фоєрверками святкують День незалежності США, починаючи від найпершого). Особливо багато країн світу зустрічають Новий рік опівночі за місцевим часом із величезними демонстраціями повітряних піротехнічних засобів, які транслюються по всьому світу.
Сучасні фоєрверки, як не дивно, набагато високотехнологічніші, ніж перші наповнені порохом бамбукові засоби. Нині найбільший повітряний фоєрверк важить пів тони, його вистрілюють з міномета в Японії кожного 9–10 вересня на висоту 850 м (пів милі), де він вибухає розеткою діаметром 800 м. Найвища будівля у світі (828 м) – Бурдж Халіфа в Дубаї; кожного Нового року це майданчик для величезної піротехнічної демонстрації, бо 1,6 тони фоєрверків вибухають з усіх чотирьох боків (і зверху) протягом 10 хвилин. Нинішній рекорд найшвидшого випуску феєрверків також був встановлений у Дубаї в 2013 році: 479 651 випущених зарядів за шість хвилин. Це 1332 за секунду. Наймасштабнішим фоєрверком стало чергове святкування Нового року, цього разу в 2015–2016 роках на Філіпінах: 810 904 випущено протягом 1,5 години під зливою. Багато з цих піротехнічних дійств — і інші, не описані тут, як-от найбільший у світі фоєрверк «Кетрін віл» та найбільший у світі бенгальський світильник — можна переглянути на ютюбі1.
Ефектні кольори феєрверків – сучасна інновація, і здебільшого зумовлені солями металів, які змішують із порохом. Додавання карбонату стронцію дає яскраве червоне світло, магній, стоплений з алюмінієм, дає дуже яскраве біле світло (згадаймо ті старомодні лампи-спалахи фотоапарата; вони спалювали магній), хлорид міді дає синє світло. Додайте хлорид барію – для зеленого, хлорид кальцію – для оранжевого і стару добру кухонну сіль, хлорид натрію – для жовтого. Залізний, алюмінієвий і титановий пил хороші для яскравих сріблястих іскор. Цинковий пил створює чудовий дим.
Як ми бачили, скромніші та традиційніші скайрокети стріляють не з мінометів, а з молочних пляшок. Робоча частина цих ракет-палок зазвичай становить паперову або картонну трубку, наповнену порохом. Коли запал загоряється, запалюється порох. Утворюється газ і виривається з нижнього кінця трубки, штовхаючи ракету в небо. (Це нетехнічний опис дії ракети — «зі свистом», певно, не науковий описувач.) Технічний опис наведено в розділі 3; ця фізика стосується пляшкових ракет, «Сатурна V» і всього проміжного.
Чому ракети? Використовувані як військові, а потім і культурні прикраси з історичних часів, як ми побачимо, ракети набули серйозного значення під час холодної війни, як двигуни балістичних ракет. Потім конструкції ракет зростали, розквітали, подовжувалися та розширювалися, щоб відправити людей у космос під час космічної гонитви. Це було тоді, коли ракети справді захопили уяву широкої громадськості по обидва боки залізної завіси. Так, ракети існували з незапам’ятних часів, але це неважливо. Так, вони стали важливими як МБР, але велика частина цього розвитку була секретною, поза увагою громадськості. Однак космос відкритий для громадськості вночі, і дістатися туди стало можливо за допомогою ракет часів холодної війни. Наше давнє захоплення космосом і перспектива дійсно когось туди відправити (можливо, особливо перспектива випередити росіян або американців, залежно від вашого табору часів холодної війни) поставили ракети та їх розроблення на передній край і в центр. Маленькі ракети можуть доставити фоєрверк у небо, тож, певно, великі ракети могли доставити Юрія в космос, а Ніла — на Місяць.
А потім... куди?
Ці ракетні товариства все ще процвітають. Вони завжди були актуальні, але тихо відійшли в тінь, коли уряди, а нещодавно й приватні підприємства зацікавилися ракетами. За словами одного сучасного автора, «...звичайні громадяни... були в захваті від великої космічної мрії і в кінці 1920-х і в 1930-х роках через мережу товариств повідомляли про ракетну техніку»2. Любителі космосу запустили сорок супутників на орбіту за останні пів століття для радіоаматорського зв'язку або як проєкти астрономів-аматорів. Однак для деяких товариств ракетна техніка – кінцевий продукт, а не просто засіб досягнення мети. Наприклад, Товариство з дослідження реактивної техніки (Reaction Research Society), що базується в Каліфорнії, встановило рекорд висоти, досягнутої за допомогою ракети, розробленої аматором (Джордж Гарбоден): у 1996 році ракета, запущена з пустелі Блек-Рок, штат Невада, досягла висоти 80 км (50 миль). Інша аматорська група, Цивільна команда дослідження космосу (Civilian Space eXploration Team – CSXT), побила його, а потім побила знову, встановивши поточний рекорд висоти, 118 км, у 2014 році.
На іншому кінці шкали дуже маленькі ракети (справді фоєрверки) коштують долар або два. Найменші можуть піднятися в повітря на 5–10 м. Моделі аматорських ракетних двигунів класифікуються відповідно до імпульсу, який вони генерують (імпульс — це тяга — сила, створювана двигуном — помножена на час горіння). Клас двигуна позначають, збільшуючи величину: micro, ¼A, ½A, A, B, C,... …S. Імпульс збільшується вдвічі щоразу, коли підвищується клас, тому найпотужніші з цих аматорських двигунів мають у два мільйони разів більшу тягу, ніж найменші. (Звісно, професійні ракети для запуску на Місяць і сучасні важкі ракети виходять за межі тяги навіть найпотужніших аматорських ракет — у 30 000 разів більша, ніж у ракети класу S.) Вартість зростає приблизно пропорційно імпульсові: ви можете купити на «Амазоні» комплект, що складається з ракети з двигуном класу C і пускачем, за 30 доларів, тоді як двигун класу S CSXT «GoFastrocket», який досягає космосу, коштуватиме вам понад 50 000 доларів. Усе, що не досягає класу G, позначається як модель ракети, яку можна просто придбати, вона не підлягає регулюванню. Якщо двигун від класу H до класу O, то він запускає ракету високої потужності й підлягає державному регулюванню в Сполучених Штатах дедалі більше, бо імпульс збільшується (сертифікація рівня 1 для класів H і I; рівень 2 – для J, K, L; рівень 3 – для M, N, O.) Американське регулювання (ступінь регулювання варіюється від країни до країни) означає ліцензію на використання малопотужних вибухових речовин, відмову/звільнення (waiver) від Федеральної авіаційної адміністрації (FAA) та сертифікат, який передбачає письмові іспити. FAA має право голосу щодо польоту вашої ракети високої потужності, тому що, звісно, потужніші ракети літають вище (понад три кілометри або 10 000 футів) й інакше можуть стати перешкодою для висотних літальних апаратів. Правила та поради щодо конструкції та експлуатації ракет, а також більше технічних статей – яких більше, ніж ви собі можете уявити, – доступні в ряді національних ракетних організацій, таких як два органи, що наглядають за високопотужною ракетною технікою в США: Національна асоціація ракетної техніки та Ракетна асоціація «Триполі»3.
Модельні ракети здебільшого працюють на пороховому паливі, але високопотужні ракети зазвичай мають композитне паливо, і вони можуть бути багатоступінчатими з різним паливом на кожному ступені. Усі, крім ракет із найнижчими імпульсами, повторновикористовні — їх можна відновити (зазвичай після спуску з парашутом) і оснастити новим двигуном. Середньо- і високоімпульсні ракети несуть корисні навантаження: будь-що, від камери до наукових приладів, які можуть спостерігати та записувати атмосферні чи космічні дані4.
Резюме плану цієї книжки: історія, фізика, інженерія, тяга, керування, наведення і, нарешті, «Що далі». Математичний аналіз міститься в Додатку для читачів, які жадають фізики. Наш виклад не потребує спеціальної підготови (і повітря, і космос), тому ми не будемо ухилятися від крутої інженерії, але будемо ухилятися від її деталей. В останньому розділі ми підходимо теоретично, і уява стає необхідною для читача поряд із технічним інтересом до ракетної науки.
Рекомендована література
1. Burrows, W.E. This New Ocean: The Story of the First Space Age. (New York: Random House, 1998).
2. Plimpton, G. Fireworks: A History and Celebration. (New York: Doubleday, 1984).
3. Werrett, S. Fireworks: Pyrotechnic Arts and Sciences in European History. (Chicago: University of Chicago Press, 2010).
Виноски
1. Про феєрверки див. на ютюбі, див., напр., What if You Burn 10 000 Sparklers?, Largest Catherine Wheel On Earth Guinness World Record, Watch Dubai New Year 2019 fireworks in full. Докладніше про всі аспекти фоєрверків див. у Plimpton (1984), Werrett (2010). Дивіться також онлайн-статтю в «Wired» Дж. Ґрінберґа: What’s Inside Fireworks: Glitter Starch and Gunpowder at www.wired.com/2015/07/whats-inside-fireworks/.
2. Цитата взята з Burrows (1998), с. 64.
3. Вебсайт Національної асоціації ракетної техніки – www.nar.org. Щоб отримати інформацію про Асоціацію ракетної техніки Тріполі, перейдіть на сайт www.tripoli.org. Багато інших країн мають власні національні аматорські ракетні товариства. Правила, що регулюють їх запуск, дуже відрізняються від країни до країни.
4. Є багато відео на ютюбі про аматорські запуски ракет, які охоплюють спектр ракетних розмірів. Про ракети з низьким імпульсом, які сягають висоти 450 м (1500 футів), дивіться, наприклад, ракетне змагання кількох сповнених ентузіазму молодих хлопців на «Model Rocket Battle»; щодо серйознішого висвітлення та потужніших ракет дивіться «Top 5 Amateur Space Launches That Actually Worked» та «GoPro: Awards: On a Rocket Launch to Space». На останніх відео показані багатоступеневі ракети з бортовими камерами.
Востаннє редагувалось Сер квітня 06, 2022 6:22 pm користувачем Кувалда, всього редагувалось 2 разів.
Re: Ракетна наука: Від фоєрверків до фотонного рушія
розширилювася
багатоступінчастими
Насправді,
багатоступінчастими
Насправді,
Re: Ракетна наука: Від фоєрверків до фотонного рушія
2
Історія: після фоєрверків з'явилася зброя та космічний корабель
Історія цих дивовижних машин поміщає все інше про них у контекст. Ми матимемо краще уявлення про ракетне майбутнє, знаючи щось про ракетне минуле. Насправді історія ракетної техніки і ракетників1 і так дуже цікава. Отже, ми починаємо нашу розповідь про ракетну науку з її джерел, як технічних, так і інтелектуальних (техніки та фізики, відповідно).
Історик Арнолд Тойнбі (Arnold Toynbee) якось сказав, що «історія — це лише одна проклята річ за іншою». Ми прийняли цей підхід на рис. 2.1, на якому представлена хронологія ракетної історії, викладаючи ключові події у вигляді лінійної прогресії, без зв’язків. Решта цього розділу заповнює прогалини, показуючи зв’язки, які існують між заголовками подій2.
Рис. 2.1. Часова лінія історії ракет. Ліва лінія показує основні події за першу тисячу років; права лінія показує їх десь із минулого століття. Для теоретичних і практичних розробок використовуються різні шрифти.
[Invention of rocket (?) – Винахід ракети (?) (Китай)
Fire arrows – Вогняні стріли (Китай)
Multistage rockets – Багатоступеневі ракети (Йоган Шмідлап)
Laws of motion – Закони руху (Айзек Ньютон)
Rocket missiles – Ракетні набої (Гайдар Алі, Вільям Конгрів)
Spin stabilization – Крутильна стабілізація (Вільям Гейл)
Space exploration proposed – Запропоновано освоєння космосу (Костянтин Ціолковський)
Rocket equation – Ракетне рівняння (Костянтин Ціолковський)
Liquid propellant rocket – Рідиннопаливна ракета (Роберт Ґодард)
Oberth effect – Обертів ефект (Герман Оберт)
Elliptical transfer orbit – Еліптична перехідна орбіта (Вальтер Гоман)
Gravity assist – Гравітаційний маневр (Фрідріх Цандер та інші)
Rocket aircraft – Ракетоплан/Ракетний літак (Ліпіш Енте)
Sounding rockets – Зондувальні ракети
Shoulder-fired missiles (Bazooka) – Ракета, що запускається з плеча/переносна ракетна устава (базука).
Ballistic missile – Балістична ракета (V2)
Interplanetary spacekraft – Міжпланетний космічний апарат («Марінер», до Венери) Людина на орбіті (Юрій Ґаґарін)
ICBM (Atlas) – Міжконтинентальна балістична ракета («Атлас»)
Satellite – Супутник («Спутнік-1»)
Man on Moon – Людина на Місяці (Ніл Армстронґ)
Spacecraft reaches outer plant – Космічний корабель досягає зовнішньої планети («Піонер-10»)
Reusable spacecraft (Space Shuttle) – Поторновикористовний космічний корабель «Спейс Шатл»
Interplanetary superhighway (Martin lo and others) – Міжпланетна супермагістраль (Мартін Ло та інші)
Private launch to Eart orbit (SpaceX, Falcon) – Приватний запуск на орбіту Землі («Спейс Ікс», «Фалкон-9»)]
Підсумовуючи цю історію одним абзацом: ракети були винайдені як наслідок винайдення першого ракетного палива (чорного пороху). Спочатку нова технологія використовувалася як ліки та фоєрверки в Китаї, але швидко її пристосували до війни. Потім війна поширила ракетні технології по всьому Старому світу. Військові застосування пришвидшили технічний розвиток, як і в багатьох інших галузях, від металургії до пілотованих польотів3. Теоретичні розробки у фізиці дали змогу деяким мрійникам, захопленим космічними подорожами, показати, як ракети можуть полегшити такі подорожі — справді, з причин, які ми незабаром обговоримо, ракети – єдиний вид потужного транспорту в космосі. Після цього розвиток ракетної техніки йшов двома шляхами: неперервне застосування до дедалі важливіших військових ролей, а також проєктування та конструювання транспортних засобів для досягнення космосу та подорожей у ньому.
Починаємо спочатку; такий підхід суперечить логіці багатьох журналістів (які вважають за краще починати з привабливого заголовка, а потім засипати матеріал) і, можливо, свідчить про наші технічні знання. Ми дозволимо вам вирішити, яка частина історії ракет перебуває в теперішньому часі – породжена безпосередніми локальними впливами (погляд «одна проклята річ за іншою»), а яка взаємопов’язана, тканий візерунок, що тягнеться крізь століття.
[Чорний] порох
Може здатися дивним, що ракетне паливо розроблено до ракет, але, звісно, причина зрозуміла: порох був розроблений з інших причин, і лише наявність пороху уможливила потім винайдення ракет.
Деякі речі в останньому реченні потрібно розпакувати. По-перше: так, порох — це ракетне паливо. Все, що нам потрібно знати про паливні речовини в цьому розділі, – це те, що вони комбінація палива та окислювача. Вони містять у собі кисень, необхідний для горіння; ця характеристика відрізняє ракетне паливо від палива. Порох міг би горіти у вакуумі (насправді в космосі) — йому не потрібен атмосферний кисень, на відміну від палива, такого як бензин. По-друге, назва погана. Порох спочатку не використовувався в зброї, а коли його використовували разом зі зброєю, він був у вигляді зерна, а не пороху. Заплутуючи речі, цей термін дещо змінив значення: нині слово «порох» (gunpowder) у загальних рисах стосується інших паливних речовин, які використовуються для пуску куль і артилерійських набоїв; початкова речовина тепер називається чорним порохом (black powder)4. По-третє, ми побачимо, що незрозуміло, винайдені чи відкриті ракети. Тобто, можливо, вони були випадковим розвитком, випадковим відкриттям, а не результатом ага!-моменту якогось розумного військового інженера чи фоєрверкера.
Компоненти
Порох не чиста хемічна речовина в тому сенсі, як бензин, нітрогліцерин, порошок для випікання або аспірин — це не однорідна речовина. Порох – суміш трьох хемічних речовин: двох елементів (сірки S і вуглецю C) і сполуки (нітрату калію KNO3), відомої як селітра. Сірка – звичайний мінерал, це біблійна кам’яна сірка (brimstone), і при кімнатній температурі жовта кристалічна тверда речовина. Вуглець легко виготовляється у вигляді деревного вугілля. Ці два елементи – паливо; селітра – окислювач. Пропорції цих трьох компонентів, які змішуються разом, щоб утворити порох, сильно відрізняються поміж стародавніх джерел, і деталі важливі, бо різні суміші утворюють горючий матеріал з різними властивостями.
Один зі старіших рецептів5, отриманий у Європі приблизно в 1300 р. н.е., призначений для створення «летючого вогню» з громом — очевидно, ракетного палива для якоїсь артилерії. До його складу входить сірка:вугілля:селітра у співвідношенні 1:3:9. Цей рецепт (Partington, p. 49) містить більшу частку окислювача, ніж деякі попередні рецепти, і, отже, це ліпша вибухова речовина. У кращому разі порох класифікується як малопотужна вибухова речовина (low explosive), тобто швидкість його горіння завжди дозвукова (на відміну від високопотужних вибухових речовин (high explosives), які горять надзвуково). Як вогнепальна зброя або артилерійське ракетне паливо, він швидко горить (deflagrates) (горить дозвуково), що швидко генерує великі об’єми газів (вуглекислого газу та азоту), так виштовхуючи мушкетну кулю, рушничну чи набій з жерла гармати. Однак він не повинен вибухнути дуже швидко, щоб не розірвався патронник цівки, хоча це можливо, якщо суміш для зброї дібрана погано.
Складники пороху були відомі задовго до того, як їх скомбінували. Селітра була відома китайцям близько двох тисяч років як ліки. Вважається, що комбінація компонентів була вперше створена для запалювальних цілей у Китаї в дев’ятому столітті, знову ж таки, як ліки. Іншим дуже раннім застосуванням (9–10 століття) були фоєрверки, щоб створювати разючі видовища та відганяти злих духів. Одна з розповідей про китайські ракети-фоєрверки датується 1264 роком. Сучасні експерти взагалі не мають єдиної думки щодо того, як і коли порох став вибухівкою, а не займистим матеріалом. Щоб вибухнути, суміш має містити високу фракцію селітри, а інгредієнти повинні бути ретельно змішані між собою. Перші військові застосування пороху були для бомб і ракет; «вогняні стріли» (у значенні ракетних стріл, а не стріл, запалених перед пуском) датуються 1232 р. н.е. в письмових джерелах, хоча цілком можливо, що вони використовувалися деякий час до того, як були записані. Пізніше з’явилися залізні бочки з камерами для пороху, що швидко згоряв.
Хто перший застосував порох для ракет, так винайшовши ракети? Історики не впевнені, але «...справжній винахідник ракети, безперечно, був китаєць, й іноді його називають Фен Дзішен, він жив близько 970 р. н.е.»6.
Вогняні стріли
Варто трохи зупинитися на цих ранніх китайських вогняних стрілах (fire arrows); вони перегукуються з набагато пізнішою зброєю після порохової епохи (яка тривала шість століть, аж до розроблення інших вибухових речовин і палива в дев’ятнадцятому столітті). Крім того, ці стріли еволюціонували в справжні ракети, і, можливо, просто дали нам наше слово «ракета», через китайське «вогняна стріла»7. Однак найперші вогняні стріли були більше схожі на артилерійський набій. Із записів одинадцятого століття здається, що вони складалися зі стріли з мішечком з порохом, прикріпленим біля наконечника стріли. Запалювався шнур, стріла випускалася з лука, а потім — якщо розрахунок часу для шнура був правильний — ба-бах! по ворогу, коли стріла досягла місця призначення. Звучить аж надто складно, але цілком можливо, що ці грубі пристрої могли бути ефективними. Вперше вони були використані в 904 р. н.е. під час облоги Ючжана (сучасний Наньчан). Вогняні стріли, які запускав порох, а не лучник, могли з’явитися ще в 969 р. н.е., і про їх використання широко повідомлялося протягом століть. У чотирнадцятому столітті армія Мін замовила тисячі стріло-ракетних устав і, можливо, навіть запровадила портативну версію — середньовічну базуку8. Здається, дальність дії цих ракет була більша, ніж у звичайних стріл, випущених лучниками, хоча вони не були такими точними. Вогняні стріли спрямовувалися шляхом наведення пускової устави в правильному напрямку та оцінення кута піднесення; стійкість вогняної стріли в польоті забезпечуватиметься тягою, подібною до фоєрверкової ракети. (Докладніше про стійкість ракети ми розповімо в розділі 5.) Див. рис. 2.2.
Рис. 2.2. Різні конфігурації вогняних стріл, перші ракетні набої. (а) Китайська переносна версія сімнадцятого століття; ця пускова устава «довга змія» мала 32 отруєні стріли-ракети. (b) Китайська ілюстрація XIV століття ракетної устави вогняних стріл. Така коробкова пускова устава містила 100 стріл, вистрілюваних одночасно. (c) Сучасна реконструкція ранньої корейської реактивної системи залпового вогню «хвача» («вогневий візок»). Фото: Kang Byeong Kee. (d) Легша переносна версія з пусковою кошиковою уставою. Китайська ілюстрація сімнадцятого століття.
Розширення і поширення
Від вогняної стріли до вогняного списа був лише короткий етап. Ця страшна зброя – явний попередник сучасної вогнепальної зброї та вогнеметів. Ось як це працювало:
• Візьміть заряд пороху, помістіть його на кінець довгої палиці.
• Запаліть шнур, направте на ворога, що атакує (гм, тримаючи інший кінець палиці).
Варіант:
• Візьміть ракетний «двигун» (іншими словами, ракетний фоєрверк), помістіть його на кінець палиці так, щоб гарячі гази та полум'я, що викидаються, спрямовувалися від вас.
• запаліть шнур,
• запустіть на ворогів, що наближаються.
Китайці також протягом багатьох років використовували порох, щоб виготовляти бомби, наземні міни, морські міни і бомбарди/гармати. Попри спроби зберегти таємницю пороху, знання про цей винахід — можливо, найважливіший з тих, що з’явилися в стародавньому Китаї — поширилися на південь до Індії та Корейського півострова та на північ до монгольських регіонів. Від монгольської експансії в тринадцятому столітті знання про порох поширилися на захід до Персії (де його окислювач, селітра, був відомий як «китайська сіль»), до арабського світу (де селітру називали «китайським снігом») і до Європи.
Роджерові Бейкону (Roger Bacon), ранньому англійському філософові та науковцеві, приписують першу письмову згадку (близько 1267 р.) про порох, виготовлений у Європі: «...дитяча іграшка звуку та вогню, зроблена в різних частинах світу з порошку селітри, сірки та деревного вугілля лісового дерева»9. Ця дитяча іграшка швидко перетворилася на зброю; у 1331 році інший англійський вчений Волтер де Мілемет (Walter de Milemete) написав трактат про королювання, який містив ілюстрації облогової зброї, однією з яких була потдефер (pot-de-fer) – залізний горщик з вузьким горлом для ракети-стріли. Горщик містив порохове паливо, яке запалювалося розжареним дротом через запальний отвір.
І так порох поширився по Старому світу як ракетне паливо для зброї, і протягом наступних кількох століть його застосування поширилося на різні типи зброї (мортири, гармати, мушкети, пістолети), бо люди думали про різні способи використання цієї новомодної речовини. Потдефер можна розглядати як гібрид, свого роду забраклу ланку на еволюційному дереві розробляння порохової зброї, що поєднує ракети на одній гілці з артилерією та вогнепальною зброєю на іншій. Розгалуження було раннім, і здебільшого ми залишимо артилерійський/вогнепальний бік дерева без особливих коментарів, бо ця книжка стосується іншої основної галузі, тобто розробляння ракет. Потдефер – еквівалент крилатого динозавра з характеристиками рептилій і птахів, які їх пов'язують. Він пускає стрілу, але це примітивна гармата – порохове ракетне паливо переміщено з набою на пускову уставу. Склад пороху (рецепт) для горщика, ймовірно, відрізняється від рецептури вогняної стріли, бо він повинен був горіти швидше. Це підводить нас до теми зернення, яка зазвичай асоціюється з вогнепальною зброєю, але яку ми представимо тут, бо вона виявляє важливу відмінність у швидкостях дефлаграції між ракетами та гарматами.
Зернення
Як і будь-яке тверде паливо, порох горить на своїй поверхні. Як ми побачимо, це важлива характеристика, що керує конструкцією твердопаливних ракет. Площа поверхні пороху найбільша, коли суміш компонентів – сірки, вуглецю та селітри – становить дрібний порошок. Ми бачили, що інгредієнти все одно потрібно ретельно перемішати, і це тому, що паливо (частинки сірки та вуглецю) має фізично зв’язатися з окислювачем (селітрою). Це зв’язування відбувається легше, коли вуглець з пористої деревини, що сприяє процесові зв’язування на мікроскопічному рівні10.
Отже, [чорний] порох повинен бути порохом. Але порох спалахує дуже швидко – занадто вибухово для рушниці (може розірвати дуло) і занадто швидко для ракети. Значною мірою швидкість горіння (burning rate) можна було збільшити для ракетного палива, запакувавши порох у довгу і тонку камеру. Нагадаємо, що чорний порох горить на своїй поверхні, тому якщо один кінець запалений, і цей кінець – відкрита поверхня пороху, упакованого у вузьку трубку, то швидкість горіння буде обмежена. Однак такої геометричної форми палива самої по собі недостатньо ні для ракет, ні для гармат. Крім того, порошок гранулюється – перетворюється на зерна. Зернення часто робили шляхом додавання невеликої кількості рідини (що покращувало зв’язування інгредієнтів), повторного змішування та сушіння. Розмір зерна можна було контролювати. Більші зерна відповідають меншій загальній площі поверхні, тому швидкість горіння була контрольована. Протягом століть артилеристи (і ракетники) навчилися гранулювати зерна, щоб забезпечити найкращу швидкість горіння для призначеної пускової устави.
Вигода для зброї подвійна. По-перше, вибуховий порох може розірвати камеру, тому швидкість горіння (burn rate) потрібно подовжити, щоб зменшити піковий тиск. По-друге, подовжений час горіння збільшить силу, прикладену до набою завдяки розширенню газів. Ідеально для зброї порох горів би, поки набій ще був у дулі, а згоряння завершувалося, коли він виходив. Отже, довгодульні гармати повинні мати повільніше горіння палива, ніж короткодульна зброя. Тож паливо для гармати слід добирати — універсальний підхід був би неефективним і небезпечним11.
Ракети піднімаються і падають
Тепер ми можемо розлучитися зі зброєю (зазначивши, що порох поширився на більшу частину Старого світу і породив дуже поширений і тривалий процес розвитку артилерії, а потім вогнепальної зброї) і приступити до розвитку ракет від середньовічних китайських вогняних стріл.
Одна з унікальних людських властивостей – наша схильність і здатність проєктувати й будувати машини з єдиною метою — відлушпарити інших представників нашого власного виду. Зброя, мабуть, найкращий підхожий аргумент. Нам подобається думати, що ракети використовувалися для інших, вищих, цілей, таких як фоєрверки, але не можна заперечувати, що основним стимулом для розвитку ракетної техніки був військовий. Фоєрверки стали вогняними стрілами в Китаї; за межами Китаю проєктування, конструкція та використання ракет майже повністю були спрямовані на додавання можливостей та різноманітності зброї війни, відтіснивши далеко на задній план фоєрверки. Зараз ми перебуваємо в тринадцятому столітті, і цей процес триватиме зі злетами та падіннями до дев’ятнадцятого. Ракети та гармати поширяться по Старому світу й урізноманітнять конструкцію, але гармати переможуть, і ракети стануть чимось на кшталт доповнення до інструментарію світових арсеналів до шістнадцятого століття.
У Сирії близько 1270–1280 років (після знищення монголами Багдаду в 1258 році, що вважається завершенням Золотого віку ісламу), арабський хемік та інженер на ім’я Гасан аль-Рама написав трактат «Книга військової верхової їзди та винахідливих військових пристроїв». у якому подано не менше ніж 122 рецепти пороху, з яких 22 придатні для ракетного палива. Ймовірно, від арабів європейці вперше дізналися про чорний порох і ракети.
Через кілька років після монгольської навали на Східну Європу в 1241 році Папа Інокентій IV вирішив, що було б гарною ідеєю відправити послів та інших представників до двору великого хана (Ґуюка, онука Ченґіза). Одним із них був монах-францисканець Вільям де Рубрук (1220–1293), який повернувся до Європи 1257 року й описав свої висновки про все монгольське в дуже яскравій розповіді французькому королю Луї IX; протягом року з'являються повідомлення про експерименти з порохом і ракетами в Кельні. (Солдати Луї постраждали від арабських ракет під час сьомого хрестового походу 1268 року.) Друг Вільяма Роджер Бейкон (1214–1292), з яким ми вже стикалися, покращив рецептуру пороху; результатом стало краще паливо, що збільшило дальність польоту ракет. Жан Фруасар (Jean Froissart) (1337–1405), французький письменник та історик, зазначав, що ракети були б точніші, якби їх запускати з труб, провіщаючи базуку приблизно на 550 років. Баварський військовий інженер Конрад Кайзер (Konrad Kyeser), автор «Беліфортіс» (Bellefortis – сильні у війні) (ілюстрованого військового посібника, написаного приблизно в 1405 році), писав про високотехнологічну зброю того часу, зокрема противагові облогові машини (наприклад, требюше) і ракети. Австрійський військовий інженер, що працював на Угорське королівство Угорщина, Конрад Гаас (Conrad Haas ) (1509–1576), описав ракетну технологію, яка звучить дуже сучасно: триступенева ракета, рідинне паливо, дельтоподібні стабілізаційні ребра і навіть сопла. Багатоступеневі ракети описав у невійськовому контексті Йоган Шмідлап (Johann Schmidlap), німецький виробник фоєрверків, який проводив експерименти в 1590 році, описуючи двоступеневу ракету. Казимир Семенович, генерал артилерії армії Речі Посполитої, обговорював фоєрверки, піротехніку та багатоступеневі ракети у «Великому мистецтві артилерії», частина 1, опублікованому в 1650 році. Ця робота була перекладена кількома європейськими мовами і залишалася стандартним довідником протягом двох століть. Натаніел Най (Nathaniel Nye), англійський полімат з Бірмінгему, написав «Мистецтво артилерії» 1647 року на основі свого досвіду в англійській громадянській війні; ця книжка містила 43-сторінковий розділ з ракетної техніки12.
Перелічуючи ці різні історичні фрагменти, що стосуються ракет, читач може з’єднати цятки, які не утворюють картини. Ми не маємо на увазі тут досліджувану послідовність; Хронологічні посилання представляють незалежні відкриття або описи різних авторів, які могли знати або ні про роботи інших у цій галузі. Не було жодної запланованої та скоординованої програми, щоб познайомити європейців (чи індійців, чи арабів чи персів) з ракетними технологіями – просто так сталося. Якщо результатом нової ідеї, чи складу ракетного палива чи пускової устави, була вдосконалена зброя, то ця ідея поширювалася, бо вдосконалена зброя привертає увагу кожного, незалежно від його культури.
Ракети стали другорядною частиною арсеналу армій і флотів Старого світу; є повідомлення про експериментування, майстрування та розгортання ракет від китайців, індійців, арабів, турків, росіян, німців, голандців, французів та англійців протягом століть. Ракетна техніка залишалася незначною частково через обмеження технології ракетного палива (рецептури пороху) і розуміння ракетної техніки, але переважно через відносно швидке вдосконалення артилерії. 1687 року Айзек Ньютон запропонував міцну основу для розуміння теорії ракет своїм великим твором, можливо, найважливішою книгою з фізики, коли-небудь написаною13. Це піднесення відбулося в 1780-х роках, коли війська Британської Ост-Індської компанії зіткнулися з майсурськими ракетами.
Поновлене піднесення ракет
Британське завоювання Індії спочатку було приватним підприємством, а не політикою уряду. Ост-Індська компанія використовувала війська, щоб звести під свою владу різні роздроблені народи Індії. У 1760-х роках вони розпочали війну з Гайдером Алі, королем Майсуру на півдні Індії. Алі та його старший син Тіпу Султан (один з найцікавіших історичних персонажів) дуже вміло захищали своє королівство, поки останній не був убитий наприкінці століття. Щоб підкорити Майсур, знадобилося чотири англо-місурські війни; цей міцний опір частково був обумовлений першістю королівства в ракетній техніці.
Армія Майсуру мала регулярний ракетний корпус, який на своєму піку налічував близько 5000 чоловік (див. рис. 2.3а). Запорукою їхнього успіху були м'які залізні трубки, в які запаковували ракетне паливо; ця трубка могла витримувати набагато вищий тиск, ніж паперовий (чи дерев’яний, чи картонний) корпус європейських ракет, тому ракети Майсуру мали значно більшу дальність – один-два кілометри. Звісно, вони були дуже неточні, і тому їх масово вистрілювали, щоб вкрити широку територію. Залізний корпус був прив’язаний до бамбукового держака завдовжки до 3 м (10 футів). Іноді до заднього кінця ракети прикріплювали сталеве лезо; через аеродинамічну нестабільність це лезо шалено крутилося, пробиваючись через ворожі війська. Інші ракети вибухали над головою, як артилерійські набої.
Рис. 2.3. Зеніт порохових бойових ракет. (а) Майсурський солдат використовує свою ракету як флагшток. Акварель Роберта Гоума, 1793–1794. (b) Різні військові ракети, розроблені у Вулвіцькому арсеналі (з 1801 р.) з ракет, захоплених в Індії. Схема сера Вільяма Конгріва, 1814. (c) Зразок ракети Конгріва 1813 року (корпус – у разі вживання він буде прикріплений до довгої палиці) у приватній колекції Гр. Клаузе Штольце, Ляйпциг. Зображення Річарда Тенанта.
Майсурські ракети цього періоду протягом багатьох років були виставлені в Королівському військовому сховищі в Лондоні . Кілька сотень невикористаних майсурських ракет, а також ракетних устав потрапили до рук британців після останньої битви (при Срірангапатамі в 1799 році). Багато з них відправлені до Англії для аналізу, так розпочалося те, що сьогодні називалося б програмою досліджень і розроблень для модернізації британських військових ракет. Результатом стала знаменита ракета Конгріва, розроблена сером Вільямом Конгрівом, наглядачем Королівських лабораторій в Королівському арсеналі у Вулвічі, Лондон. За власний кошт Конгрів розробив модифікації майсурських ракет і ракетного палива15, випустивши сімейство ракет-палиць від легких кількафунтових до важких – до 300 фунтів (див. рис. 2.3b, c), хоча і 100 фунтів і вище ніколи не використовували в британській армії — вони були надто дорогі у виробництві та громіздкі для транспортування (палиці мали довжину до 25 футів). Найширше були розгорнуті 32-фунтові ракети Конгріва. Конгрів стандартизував виробництво та встановив необхідні специфікації для складу ракетного палива. Його конструкція допускала два типи боєголовки: вибухову (кульовий заряд) або запалювальну. Вибухову боєголовку запалювали окремо, час визначався довжиною запалу, обрізаного перед запуском. Це означало, що повітряні вибухи можна було реалізувати в заданих межах.
Ракети Конгріва мали радіус дії до 9000 футів (десь 2,7 км) і запускалися з різноманітних пристроїв, деякі з них мобільні, а деякі – на борту військових кораблів. Їх широко використовували у війні проти Наполеона з різним успіхом. Вони завжди справляли враження на ворога, хоча неточність і ненадійність були обмежувальним фактором для їх прийняття.
Найвідоміше використання ракет Конгріва було в другорядній сцені наполеонівської війни, війни 1812 року, що добре проілюструвала їхні успіхи та невдачі. Наприкінці серпня 1814 року під час битви під Бладенсбургом британський 85-й піхотний полк з великим успіхом обстріляв свого американського ворога, стрілецький батальйон, яким командував генеральний прокурор США. Лейтенант Джордж Ґліґ, шотландець, який брав участь у кампанії, став свідком відповіді американців: «Ніколи люди зі зброєю в руках не використовували ліпше ноги». Ця принизлива поразка привела до залишення Вашинґтону і спалення Президентського палацу (так тоді називали Білий дім).
Через три тижні під час тієї самої Чесапіцької кампанії британці знову обстріляли форт Мак-Генрі в Балтіморі. Цього разу ракети (32-фунтові) були випущені недалеко від берега з корабля «Еребус» (HMS Erebus). «Еребус» був шлюп, переобладнаний у ракетний корабель, і він випустив десь 600–700 ракет, але вони здебільшого не досягли цілі й не завдали значної шкоди форту. Цей випадок добре відомий, бо він надихнув рядок у національному гімні США, написаний Френсісом Скотом Кі, який був свідком шквалу: «...І червоні відблиски ракет, бомби, що розриваються в повітрі...», що говорить нам, що боєголовки, використані при цьому, були вибухові. Разом узяті, обидві бойові дії показують, що ракети Конгріва справили принаймні психологічний вплив через дим і полум’я, шипіння і виск, а також розрив боєголовок. Вони могли завдати шкоди та розбити піхотні формування на відкритому просторі, але не так, коли вони були за укріпленнями. Крім того, «Еребус» був змушений зупинитися через артилерію США у форті Мак-Генрі, що засвідчує: ефективна дальність дії ракет не перевищувала дальність дії артилерії на той час16.
Британці використовували ракети Конгріва в більшості війн, які вони вели протягом перших шести десятиліть дев'ятнадцятого століття, перш ніж ті поступилися місцем новому типові – ракеті Гейла зі стабілізацією обертання. Вільям Гейл (William Hale ), британський інженер, зрозумів, що нахилені реактивні отвори та вигнуті крила приведуть до обертання його ракети в напряму руху, як кулі гвинтівки, і що це підвищить стабільність і точність ракети. Це також усунуло громіздкі палиці та полегшило зберігання та транспортування ракет. Дальність дії ракет Гейла була десь як у ракет Конгріва; стандартна вага становила 24 фунти. Цікаво, що винахід Гейла (1844) вперше застосувала армія Сполучених Штатів під час Американо-мексиканської війни (1846–1848) і досягла певного успіху, особливо під час облоги Веракрусу. Британська армія використовувала ракети Гейла до кінця дев’ятнадцятого століття, хоча задовго до цього часу відбувся значний прогрес в артилерійській техніці, що перевів більшість ракет на ролі мирного часу17.
Зараз ми розглянемо найважливішу з цих ролей порохових ракет у мирний час.
Ракети для порятунку
Від початку дев’ятнадцятого століття і до наших днів існує довга лінійка, так би мовити, лінеметів (line-thrower rockets), які використовуються для морського порятунку. Останнім часом на зміну піротехнічним ракетам прийшли пневматичні лінійки.
Аварії кораблів були дуже поширені в епоху вітрил, коли берегові вітри могли зносити ці дерев’яні судна на небезпечні скелі під час шторму. Часто екіпаж і пасажири корабля, що затонув, були достатньо близько до берега, щоб їхнє становище було видно і чутно для глядачів, але порятунок рятувальним човном був неможливий через бурхливе море та близькість цих небезпечних скель. Запроваджено лінемети, пристрої, призначені для переміщення каната від берега до враженого корабля, вздовж якого моряки могли б пройти (наприклад, за допомогою рятувальної люльки (breeches buoy) або, пізніше, боцманського стільця (bosun’s chair) до безпечного місця.
Першим таким пристроєм був міномет, винайдений капітаном Джорджем Менбі (George Manby). Він стріляв кулею, що була з’єднана з ланцюгом або мотузкою, і вперше була використана для порятунку семи членів екіпажу брига «Елізабет», що зупинився біля Грейт-Ярмуту, на південно-східному узбережжі Англії, у 1808 році. Підраховано, що понад тисячу людей були врятовані цим пристроєм протягом наступних кількох десятиліть. Однак у цьому разі ракети були кращі, ніж гармати, з причини, що зрезонувала в історії, як ми побачимо: ракетна устава набагато легша за гармату. 1818 року англійський інженер Генрі Тренґрауз (Henry Trengrouse) розробив ракетний апарат для перекидання ліні через уражений корабель. Протягом багатьох років використовувалися різні конструкції ракет. 1827 року відбулося випробування між мінометом Менбі і апаратом Тренґрауза, який запускав ракету, розроблену іншим жителем південного узбережжя Англії Джоном Денетом (John Dennett). Ракетна система (див. рис. 2.4) виявилася ефективнішою, бо їй було легше маневрувати пересіченою місцевістю на позиції навпроти ураженого корабля. 1855 року проста двоступенева ракета, винайдена полковником Едвардом Боксером (Edward Boxer) з королівської артилерії, подовжила дальність метання лінів до 600 м і залишалася в експлуатації до Другої світової війни18.
Рис. 2.4. Лінемет з прикріпленим шнуром для порятунку моряків із кораблів, що тонуть. Ілюстрація з «Військової енциклопедії Фароу: словника військових знань», 1885, с. 68.
У Сполучених Штатах гармата Лайла (короткодульна гармата, названа на честь її винахідника Дейвіда Лайла) використовувалася з кінця дев’ятнадцятого століття до 1952 року, коли її замінили лінеметами. Вона мала максимальну дальність, як у ракети Боксера.
Золотий вік ракет
Найкоротший огляд розробляння ракет звучить так: (i) ракети з чорним порохом поширилися з Китаю. (ii) Ракетна технологія розвивалася повільно, здебільшого у військовому контексті, але технології артилерії та вогнепальної зброї випереджали її, і тому ракети так і не злетіли, так би мовити, протягом кількох століть. (iii) Наприкінці вісімнадцятого століття британці розробили військові ракети, одержавши їх під час колоніальних воєн в Індії. (iv) Це коротке відродження було знову затінене артилерією — під час Другої промислової революції були досягнуті великі технологічні успіхи, головно тому, що з’явилися нові вибухові речовини та ракетне паливо.
Цей підсумок підводить нас до кінця дев’ятнадцятого століття і до початку Золотого віку. У цьому розділі ми побачимо, чому ракетна техніка нарешті злетіла — здебільшого завдяки новим ракетним паливам і новому мисленню, коли люди почали дивитися в космос і думати про те, щоб туди потрапити. Почнімо з огляду звичайних підозрюваних — короткого погляду на наших улюблених ракетників (див. рис. 2.5) і чому вони потрапили в наш список А. Тоді ми розмістимо їх у ширшій картині розвитку ракет.
Ракетники
Озираючись на друге десятиліття двадцять першого століття, навіть побіжний погляд виявляє, що до розробляння ракет за останні 130 років були залучені сотні тисяч людей (тільки в НАСА працювало понад 400 000). Проте на рис. 2.5 ми скоротили кількість до 11 осіб. Звісно, цей список A надто спрощений, і він дратуватиме багатьох читачів19. Усі 11 – білі чоловіки, хоча перегляд файлів персоналу НАСА покаже безліч культурно та гендерно різноманітних облич. Обізнані читачі можуть правомірно запитати: «Чому X немає у списку?» або "чому Y розміщено вище від Z?" У нашому списку немає жодного з літературних гігантів, що так вплинули на те, як людство XIX століття думало, як ми побачимо, про ракети та космос. Айзека Ньютона там немає, хоча він відкрив закони механіки та гравітації, які лежать в основі всієї ракетної фізики.
Рис. 2.5. Наша Зала слави піонерів ракетобудування. За годинниковою стрілкою зверху: Костянтин Ціолковський, російський шкільний вчитель; Герман Оберт (Hermann Oberth), австро-угорський фізик та інженер; Вернер фон Браун (Wernher von Braun), німецький аерокосмічний інженер; Джордж Мюлер (George Mueller), американський інженер-електрик; Вальтер Гоман (Walter Hohmann), німецький інженер; Робер Есно-Пельтері (Robert Esnault-Pelterie), французький науковець; Фрідріх Цандер (Friedrich Zander), німецький інженер-ракетник; Юрій Кондратюк, український інженер і математик; Біл Пікерінг (Bill Pickering), новозеландський науковець-ракетник; Сергій Корольов, український інженер-ракетник; Роберт Ґодард (Robert Goddard), американський інженер. Перелічені громадянства – за народженням; шість з одинадцяти змінили громадянство протягом свого життя.
Все, що ми можемо сказати для самозахисту: це наша книжка. Ваші автори — фізики за освітою та інженери за професією – цей досвід вплинув на наш вибір. Кожен, хто має будь-які знання з історії ракет, напевно помістить більшість із цих людей у свою власну Залу слави ракетної техніки. Ньютона там немає, тому що він не розробляв ракети безпосередньо, але він, безумовно, потрапив у список Б. Вам не обов’язково має подобатися наш вибір, щоб оцінити їхній внесок (у біографіях деяких чоловіків на рис. 2.5 є досить багато того, що не подобається). Нижче наведено короткий огляд технічного внеску кожного чоловіка, головна мета якого – надати зацікавленим читачам покликання на книжки та статті, які стосуються біографії кожного з них.
Почнімо з верхньої частини рис. 2.5, із так званого «батька» ракетної техніки, хоча «дідусь» може бути кращим описом. Костянтин Ціолковський (1857–1935) був одинаком-самоучкою, який багато років працював учителем математики в невеликому містечку за 150 км на південний захід від Москви. Натхненний роботами Жуля Верна, Ціолковський глибоко замислився про космос і ракетний рух і розробив дивну (дещо дивну за сучасними мірками) теорію про вдосконалення людства шляхом створення нірвани в космосі. Євгеніка тут теж прокрадається. Щодо позитивнішого, він у нашому списку, справді, на вершині, бо він розробив основне рівняння, яке керує всією ракетною технікою – значно більше про це в розд. 3. Ціолковський багато писав про технічні аспекти ракетної техніки та космічної колонізації, а згодом і про літаки20.
Також біля вершини маємо Роберта Ґодарда (1882–1945). Слабкий хлопчик, натхненний батьком і Гербертом Велзом, виріс і став слабким професором фізики, який будував ракети (на відміну від Ціолковського) і започаткував епоху практичної ракетної техніки. Від природи він був практичним майстром і винахідником. Він отримав 214 патентів, зокрема один на багатоступеневу ракету та один на рідиннопаливну ракету. Він дивився в космос – справді, як і більшість із нашої Зали слави, він був зачарований ним, — але його ракети нікуди не привели. Пікова висота його 34 запусків становила 2,6 км, чого сьогодні можна досягти за допомогою модельної ракети. Але він вказав дорогу. Не дуже цінований за життя, частково через надмірну секретність, Ґодард був визнаний після смерті надзвичайно впливовим; Центр космічних польотів НАСА був названий на його честь у 1959 р.21
Герман Оберт (1894–1989) служив у медичній частині австро-угорської армії під час Першої світової війни. Він цікавився ракетною технікою з дитинства, під впливом Жуля Верна та технічних публікацій Ґодарда. Після війни його докторську дисертацію з фізики ракет відхилив Гайдельберзький університет у Німеччині як занадто утопічну, тому він опублікував її приватно. Пізніше румунський університет (Клуж) прийняв його дисертацію. Забезпечуючи себе, працюючи шкільним учителем, Оберт багато писав про ракетну техніку та космічні подорожі. Він приєднався до Німецького ракетного товариства, VfR, і був наставником багатьох його ентузіастів, зокрема молодого Вернера фон Брауна. Він відкрив ефект, названий на його честь, який максимізував ефективність ракетного палива під час подорожей у космосі (розглянуто в розділі 3). Під час Другої світової війни Оберт працював над кількома німецькими ракетними програмами. Згодом він жив і працював у Швейцарії, Італії, Німеччині та Сполучених Штатах, завжди пишучи і даючи поради щодо ракет і космічних подорожей.
Сергій Корольов (1907–1966), відомий як генеральний конструктор у період свого зеніту (1950-60-ті роки), керував совєтськими проєктами «Спутнік» і «Восток», які вивели першу людину на орбіту Землі. Ставши жертвою великої сталінської чистки в 1938 році, Корольов був інтернований до ГУЛАГу на шість років, залишився без зубів, з проблемами зі здоров’ям і змученим поглядом на життя. Чистки призвели до втрати багатьох науковців-ракетників, тому Совєтський Союз відстав від Німеччини в розробленні ракет під час Другої світової війни. Пізніше Корольов займав важливе місце в розробленні совєтських міжконтинентальних балістичних ракет (МБР), перш ніж звернутися до космічної програми. Він помер у віці 59 років під час розроблення совєтської програми запуску ракети на Місяць у 1966 році, отримував державні нагороди22.
Читачів може вразити, як вразило нас, що піонери ракетобудування, здається, не робили стандартної кар’єри, проходячи шлях від блискучого університетського навчання до університетського професора, а потім, можливо, очолюючи промислову дослідницьку команду. Насправді багато хто з них робив її; однак неспокійні часи, в які вони жили, у поєднанні, можливо, з ранньою недовірою до ракетобудування (або, скорше, до «мрійливих» ракетників, які вдивлялися в космос) з боку академічної та урядової влади, безсумнівно, приводили до деяких яскравих життєвих історій.
Вернер фон Браун (1912–1977) був на передньому краї ракетобудування в нацистській Німеччині, а потім понад 40 років у Сполучених Штатах. Народився в аристократичній родині, він рано зацікавився космосом під впливом творів Оберта. Бувши молодим студентом-інженером, він допомагав Обертові в розроблянні рідиннопаливних ракет для Німецького товариства космічних подорожей. Його докторські дослідження фінансував Райхсвер, німецькі збройні сили до Другої світової війни, і фон Браун переїхав до спеціального військового дослідницького центру на Балтійському узбережжі в Пенемюнде в середині 1930-х років, щоб продовжити свою тему. До 1944 року його команда вивела вперед німецьку ракетну техніку відносно ворогів часів війни (головно США та СРСР); ракети V2, які доставляли боєголовки до Лондону (здебільшого), сильно випереджали будь-які ракети, що тоді мали союзники23. Член нацистської партії та СС (можливо, заради кар’єрного зростання, а не ідеології), фон Браун вважав за краще здатися американцям, а не совєтам у кінці війни, і він (і більшість його команди) переїхав до Америки і продовжив розробляти ракети. Під час холодної війни його робота привела до створення ряду американських балістичних ракет («Редстоун» (Redstone), «Юпітер-Сі» (Jupiter-C), «Джуно» (Juno), «Першинu» (Pershing)). У 1960 році фон Браун (тепер громадянин США) і його команда були переведені до щойно створеного НАСА для розробляння важких ракет для зароджуваної космічної програми. Результатом стали ракети-носії «Сатурн I» [IB і V] (Saturn), усі дуже успішні. Через дванадцять років фон Браун залишив НАСА, щоб працювати в аерокосмічній галузі в приватному секторі промисловості; він продовжував виступати за освоєння космосу та освіту громадськості щодо космос.
Біл Пікерінг (1910–2004) – перший нудний ракетник з нашого А-списку. Вибач, Біле, але це справді комплімент: Пікерінг не має гидких політичних прихильностей і не провів важких часів у в’язниці. Він народився в Новій Зеландії, здобув американське громадянство після вивчення інженерії та фізики в Калтеху та приєднався до Лабораторії реактивного руху (JPL) під час Другої світової війни. Він керував ЛРР з 1954 по 1976 рік, протягом цього часу його група запустила, метафорично і буквально, кілька гучних космічних програм, таких як «Експлорер» (Explorer) (перші супутники США), «Піонер» (Pioneer) (космічний корабель для дослідження планет), «Ренджер» (Ranger) (зонди для отримання Місяцевих зображень), «Сервеєр» (Surveyor) (дослідники Місяцевої поверхні), «Марінер» (Mariner) (пролітні супутники Марса, Венери та Меркурія) і «Вікінг» (Viking) (посадковий апарат на Марс). Завершення цих великих досягнень – його робота над балістичними ракетами для армії США і, як тільки він пішов у відставку, програма «Вояджер» (дослідження зовнішніх планет). Пікерінг розумів науковців та інженерів, які працювали на нього, але також, як і Корольов, уживався з політиками та генералами, які йому були потрібні.
Джордж Мюлер (1918–2015) – другий американський технічний адміністратор у нашому списку A. Як і багато інших, у дитинстві він надихався науковою фантастикою. Після закінчення університету зі ступенем інженера-електрика, деякий час попрацювавши в промисловості, здобувши ступінь доктора і ще трохи попрацювавши в промисловості (між іншим, над балістичними ракетами), Мюлер приєднався до НАСА як менеджер у 1963 році. Він реструктуризував організацію. і зробив можливим здійснення мети президента Кенеді – доставити людину на Місяць до кінця того десятиліття. Його найвідоміший внесок – це модель тестування «комплексно» (all-up), коли величезна система «Сатурн V» (триступенева важка ракета-носій, яка використовувалася для підтримки програми «Аполон»), була випробувана відразу, а не традиційним (і повільнішим) покомпонентним (component-by-component) тестуванням, якому віддавав перевагу прискіпливий фон Браун. Після першої катастрофи з «Аполоном-1», яка коштувала життя трьом його членам екіпажу, підхід Мюлера був підтверджений наступними запусками і посприяв польотові «Аполону-11» на Місяць і назад. Згодом він допомагав розробляти «Скайлаб» (Skylab) і активно виступав за космічні апарати багаторазового використання. Під час роботи в НАСА він проводив власну борозну; характерно, що ті, хто не погоджувався з ним, все ж вважали його надзвичайно здібним. Через скорочення космічної програми Мюлер покинув НАСА і повернувся до роботи в промисловості в грудні 1969 року24.
З Юрієм Кондратюком (1897–1942) та Фрідріхом Цандером (1887–1933) ми повертаємося від разючих, безпечних і тривалих, але традиційних біографічних траєкторій до совєтського хаосу. Ми також повертаємося до минулих часів мислителів, які намічають шляхи майбутнього, а не інженерів, які роблять, щоб воно відбулося. Кондратюк – це навіть не його справжнє прізвище: Олександр Шаргей був змушений вкрасти це ім’я під час потрясінь після російської революції 1917 року. Талановитий студент математики та фізики напередодні Першої світової війни, Кондратюк разом із Цандером та Ціолковським поширював ідеї ракетобудування, допоміг у розробленні багатоступеневих рідиннопаливних ракет, обговорював ідею космічних ліфтів, які тільки тепер розглядають як здійсненні (розділ 7). Він працював на тлі війни, хаосу та політичних репресій, проводив час у тому ж відділенні ГУЛАГу (шарашці, для дослідницької роботи), що й Корольов, з яким пізніше познайомився. Цандер досліджував ідеї міжпланетних подорожей, такі як сонцеві вітрила, аерогальмування та гравітаційні маневри. Він також працював над практичним ракетним двигуном, але помер незадовго до його успішного першого польоту. З Кондратюком і Зандером ми знову зустрінемося в розд. 3, тож відкладемо подальше обговорення цієї цікавої пари до того часу.
Ще один зі списку А, якого ми знову побачимо пізніше, – це Вальтер Гоман (1880–1945). Натхненний своїм батьком і письменниками-фантастами Жулем Верном і Вілі Леєм, цей німецький інженер став провідною фігурою серед талановитих любительських ракетних ентузіастів Ваймарської республіки (тої хаотичної версії Німеччини, яка існувала між кінцем Першої світової війни в 1918 році і піднесенням Гітлера в 1933 році). Він чимало писав про багато технічних аспектів космічних подорожей, винаходячи такі концепції, як окремий посадковий модуль для місячних подорожей та найенергоефективніші засоби переміщення між орбітами планет.
Роберт Есно-Пельтері (1881–1957), француз, єдиний західноєвропейський представник у нашому списку А. Яскравий промисловець і винахідник, він стимулював розвиток авіації у Франції, перш ніж звернув свою увагу на ракетну техніку. Він самостійно вивів ракетне рівняння (не знаючи про попередні роботи Ціолковського), винайшов векторну/спрямовану тягу (vectored thrust) (через поворотне сопло, тепер майже повсюдно прийняте конструкторами ракет), запропонував ядерні ракети та балістичні ракети та провів експерименти з різними ракетними паливами (що коштувало йому чотирьох пальців внаслідок вибуху). За своє плідне життя Есно-Пельтері отримав 120 патентів. Він придумав слово астронавтика25.
Історія: після фоєрверків з'явилася зброя та космічний корабель
Історія цих дивовижних машин поміщає все інше про них у контекст. Ми матимемо краще уявлення про ракетне майбутнє, знаючи щось про ракетне минуле. Насправді історія ракетної техніки і ракетників1 і так дуже цікава. Отже, ми починаємо нашу розповідь про ракетну науку з її джерел, як технічних, так і інтелектуальних (техніки та фізики, відповідно).
Історик Арнолд Тойнбі (Arnold Toynbee) якось сказав, що «історія — це лише одна проклята річ за іншою». Ми прийняли цей підхід на рис. 2.1, на якому представлена хронологія ракетної історії, викладаючи ключові події у вигляді лінійної прогресії, без зв’язків. Решта цього розділу заповнює прогалини, показуючи зв’язки, які існують між заголовками подій2.
Рис. 2.1. Часова лінія історії ракет. Ліва лінія показує основні події за першу тисячу років; права лінія показує їх десь із минулого століття. Для теоретичних і практичних розробок використовуються різні шрифти.
[Invention of rocket (?) – Винахід ракети (?) (Китай)
Fire arrows – Вогняні стріли (Китай)
Multistage rockets – Багатоступеневі ракети (Йоган Шмідлап)
Laws of motion – Закони руху (Айзек Ньютон)
Rocket missiles – Ракетні набої (Гайдар Алі, Вільям Конгрів)
Spin stabilization – Крутильна стабілізація (Вільям Гейл)
Space exploration proposed – Запропоновано освоєння космосу (Костянтин Ціолковський)
Rocket equation – Ракетне рівняння (Костянтин Ціолковський)
Liquid propellant rocket – Рідиннопаливна ракета (Роберт Ґодард)
Oberth effect – Обертів ефект (Герман Оберт)
Elliptical transfer orbit – Еліптична перехідна орбіта (Вальтер Гоман)
Gravity assist – Гравітаційний маневр (Фрідріх Цандер та інші)
Rocket aircraft – Ракетоплан/Ракетний літак (Ліпіш Енте)
Sounding rockets – Зондувальні ракети
Shoulder-fired missiles (Bazooka) – Ракета, що запускається з плеча/переносна ракетна устава (базука).
Ballistic missile – Балістична ракета (V2)
Interplanetary spacekraft – Міжпланетний космічний апарат («Марінер», до Венери) Людина на орбіті (Юрій Ґаґарін)
ICBM (Atlas) – Міжконтинентальна балістична ракета («Атлас»)
Satellite – Супутник («Спутнік-1»)
Man on Moon – Людина на Місяці (Ніл Армстронґ)
Spacecraft reaches outer plant – Космічний корабель досягає зовнішньої планети («Піонер-10»)
Reusable spacecraft (Space Shuttle) – Поторновикористовний космічний корабель «Спейс Шатл»
Interplanetary superhighway (Martin lo and others) – Міжпланетна супермагістраль (Мартін Ло та інші)
Private launch to Eart orbit (SpaceX, Falcon) – Приватний запуск на орбіту Землі («Спейс Ікс», «Фалкон-9»)]
Підсумовуючи цю історію одним абзацом: ракети були винайдені як наслідок винайдення першого ракетного палива (чорного пороху). Спочатку нова технологія використовувалася як ліки та фоєрверки в Китаї, але швидко її пристосували до війни. Потім війна поширила ракетні технології по всьому Старому світу. Військові застосування пришвидшили технічний розвиток, як і в багатьох інших галузях, від металургії до пілотованих польотів3. Теоретичні розробки у фізиці дали змогу деяким мрійникам, захопленим космічними подорожами, показати, як ракети можуть полегшити такі подорожі — справді, з причин, які ми незабаром обговоримо, ракети – єдиний вид потужного транспорту в космосі. Після цього розвиток ракетної техніки йшов двома шляхами: неперервне застосування до дедалі важливіших військових ролей, а також проєктування та конструювання транспортних засобів для досягнення космосу та подорожей у ньому.
Починаємо спочатку; такий підхід суперечить логіці багатьох журналістів (які вважають за краще починати з привабливого заголовка, а потім засипати матеріал) і, можливо, свідчить про наші технічні знання. Ми дозволимо вам вирішити, яка частина історії ракет перебуває в теперішньому часі – породжена безпосередніми локальними впливами (погляд «одна проклята річ за іншою»), а яка взаємопов’язана, тканий візерунок, що тягнеться крізь століття.
[Чорний] порох
Може здатися дивним, що ракетне паливо розроблено до ракет, але, звісно, причина зрозуміла: порох був розроблений з інших причин, і лише наявність пороху уможливила потім винайдення ракет.
Деякі речі в останньому реченні потрібно розпакувати. По-перше: так, порох — це ракетне паливо. Все, що нам потрібно знати про паливні речовини в цьому розділі, – це те, що вони комбінація палива та окислювача. Вони містять у собі кисень, необхідний для горіння; ця характеристика відрізняє ракетне паливо від палива. Порох міг би горіти у вакуумі (насправді в космосі) — йому не потрібен атмосферний кисень, на відміну від палива, такого як бензин. По-друге, назва погана. Порох спочатку не використовувався в зброї, а коли його використовували разом зі зброєю, він був у вигляді зерна, а не пороху. Заплутуючи речі, цей термін дещо змінив значення: нині слово «порох» (gunpowder) у загальних рисах стосується інших паливних речовин, які використовуються для пуску куль і артилерійських набоїв; початкова речовина тепер називається чорним порохом (black powder)4. По-третє, ми побачимо, що незрозуміло, винайдені чи відкриті ракети. Тобто, можливо, вони були випадковим розвитком, випадковим відкриттям, а не результатом ага!-моменту якогось розумного військового інженера чи фоєрверкера.
Компоненти
Порох не чиста хемічна речовина в тому сенсі, як бензин, нітрогліцерин, порошок для випікання або аспірин — це не однорідна речовина. Порох – суміш трьох хемічних речовин: двох елементів (сірки S і вуглецю C) і сполуки (нітрату калію KNO3), відомої як селітра. Сірка – звичайний мінерал, це біблійна кам’яна сірка (brimstone), і при кімнатній температурі жовта кристалічна тверда речовина. Вуглець легко виготовляється у вигляді деревного вугілля. Ці два елементи – паливо; селітра – окислювач. Пропорції цих трьох компонентів, які змішуються разом, щоб утворити порох, сильно відрізняються поміж стародавніх джерел, і деталі важливі, бо різні суміші утворюють горючий матеріал з різними властивостями.
Один зі старіших рецептів5, отриманий у Європі приблизно в 1300 р. н.е., призначений для створення «летючого вогню» з громом — очевидно, ракетного палива для якоїсь артилерії. До його складу входить сірка:вугілля:селітра у співвідношенні 1:3:9. Цей рецепт (Partington, p. 49) містить більшу частку окислювача, ніж деякі попередні рецепти, і, отже, це ліпша вибухова речовина. У кращому разі порох класифікується як малопотужна вибухова речовина (low explosive), тобто швидкість його горіння завжди дозвукова (на відміну від високопотужних вибухових речовин (high explosives), які горять надзвуково). Як вогнепальна зброя або артилерійське ракетне паливо, він швидко горить (deflagrates) (горить дозвуково), що швидко генерує великі об’єми газів (вуглекислого газу та азоту), так виштовхуючи мушкетну кулю, рушничну чи набій з жерла гармати. Однак він не повинен вибухнути дуже швидко, щоб не розірвався патронник цівки, хоча це можливо, якщо суміш для зброї дібрана погано.
Складники пороху були відомі задовго до того, як їх скомбінували. Селітра була відома китайцям близько двох тисяч років як ліки. Вважається, що комбінація компонентів була вперше створена для запалювальних цілей у Китаї в дев’ятому столітті, знову ж таки, як ліки. Іншим дуже раннім застосуванням (9–10 століття) були фоєрверки, щоб створювати разючі видовища та відганяти злих духів. Одна з розповідей про китайські ракети-фоєрверки датується 1264 роком. Сучасні експерти взагалі не мають єдиної думки щодо того, як і коли порох став вибухівкою, а не займистим матеріалом. Щоб вибухнути, суміш має містити високу фракцію селітри, а інгредієнти повинні бути ретельно змішані між собою. Перші військові застосування пороху були для бомб і ракет; «вогняні стріли» (у значенні ракетних стріл, а не стріл, запалених перед пуском) датуються 1232 р. н.е. в письмових джерелах, хоча цілком можливо, що вони використовувалися деякий час до того, як були записані. Пізніше з’явилися залізні бочки з камерами для пороху, що швидко згоряв.
Хто перший застосував порох для ракет, так винайшовши ракети? Історики не впевнені, але «...справжній винахідник ракети, безперечно, був китаєць, й іноді його називають Фен Дзішен, він жив близько 970 р. н.е.»6.
Вогняні стріли
Варто трохи зупинитися на цих ранніх китайських вогняних стрілах (fire arrows); вони перегукуються з набагато пізнішою зброєю після порохової епохи (яка тривала шість століть, аж до розроблення інших вибухових речовин і палива в дев’ятнадцятому столітті). Крім того, ці стріли еволюціонували в справжні ракети, і, можливо, просто дали нам наше слово «ракета», через китайське «вогняна стріла»7. Однак найперші вогняні стріли були більше схожі на артилерійський набій. Із записів одинадцятого століття здається, що вони складалися зі стріли з мішечком з порохом, прикріпленим біля наконечника стріли. Запалювався шнур, стріла випускалася з лука, а потім — якщо розрахунок часу для шнура був правильний — ба-бах! по ворогу, коли стріла досягла місця призначення. Звучить аж надто складно, але цілком можливо, що ці грубі пристрої могли бути ефективними. Вперше вони були використані в 904 р. н.е. під час облоги Ючжана (сучасний Наньчан). Вогняні стріли, які запускав порох, а не лучник, могли з’явитися ще в 969 р. н.е., і про їх використання широко повідомлялося протягом століть. У чотирнадцятому столітті армія Мін замовила тисячі стріло-ракетних устав і, можливо, навіть запровадила портативну версію — середньовічну базуку8. Здається, дальність дії цих ракет була більша, ніж у звичайних стріл, випущених лучниками, хоча вони не були такими точними. Вогняні стріли спрямовувалися шляхом наведення пускової устави в правильному напрямку та оцінення кута піднесення; стійкість вогняної стріли в польоті забезпечуватиметься тягою, подібною до фоєрверкової ракети. (Докладніше про стійкість ракети ми розповімо в розділі 5.) Див. рис. 2.2.
Рис. 2.2. Різні конфігурації вогняних стріл, перші ракетні набої. (а) Китайська переносна версія сімнадцятого століття; ця пускова устава «довга змія» мала 32 отруєні стріли-ракети. (b) Китайська ілюстрація XIV століття ракетної устави вогняних стріл. Така коробкова пускова устава містила 100 стріл, вистрілюваних одночасно. (c) Сучасна реконструкція ранньої корейської реактивної системи залпового вогню «хвача» («вогневий візок»). Фото: Kang Byeong Kee. (d) Легша переносна версія з пусковою кошиковою уставою. Китайська ілюстрація сімнадцятого століття.
Розширення і поширення
Від вогняної стріли до вогняного списа був лише короткий етап. Ця страшна зброя – явний попередник сучасної вогнепальної зброї та вогнеметів. Ось як це працювало:
• Візьміть заряд пороху, помістіть його на кінець довгої палиці.
• Запаліть шнур, направте на ворога, що атакує (гм, тримаючи інший кінець палиці).
Варіант:
• Візьміть ракетний «двигун» (іншими словами, ракетний фоєрверк), помістіть його на кінець палиці так, щоб гарячі гази та полум'я, що викидаються, спрямовувалися від вас.
• запаліть шнур,
• запустіть на ворогів, що наближаються.
Китайці також протягом багатьох років використовували порох, щоб виготовляти бомби, наземні міни, морські міни і бомбарди/гармати. Попри спроби зберегти таємницю пороху, знання про цей винахід — можливо, найважливіший з тих, що з’явилися в стародавньому Китаї — поширилися на південь до Індії та Корейського півострова та на північ до монгольських регіонів. Від монгольської експансії в тринадцятому столітті знання про порох поширилися на захід до Персії (де його окислювач, селітра, був відомий як «китайська сіль»), до арабського світу (де селітру називали «китайським снігом») і до Європи.
Роджерові Бейкону (Roger Bacon), ранньому англійському філософові та науковцеві, приписують першу письмову згадку (близько 1267 р.) про порох, виготовлений у Європі: «...дитяча іграшка звуку та вогню, зроблена в різних частинах світу з порошку селітри, сірки та деревного вугілля лісового дерева»9. Ця дитяча іграшка швидко перетворилася на зброю; у 1331 році інший англійський вчений Волтер де Мілемет (Walter de Milemete) написав трактат про королювання, який містив ілюстрації облогової зброї, однією з яких була потдефер (pot-de-fer) – залізний горщик з вузьким горлом для ракети-стріли. Горщик містив порохове паливо, яке запалювалося розжареним дротом через запальний отвір.
І так порох поширився по Старому світу як ракетне паливо для зброї, і протягом наступних кількох століть його застосування поширилося на різні типи зброї (мортири, гармати, мушкети, пістолети), бо люди думали про різні способи використання цієї новомодної речовини. Потдефер можна розглядати як гібрид, свого роду забраклу ланку на еволюційному дереві розробляння порохової зброї, що поєднує ракети на одній гілці з артилерією та вогнепальною зброєю на іншій. Розгалуження було раннім, і здебільшого ми залишимо артилерійський/вогнепальний бік дерева без особливих коментарів, бо ця книжка стосується іншої основної галузі, тобто розробляння ракет. Потдефер – еквівалент крилатого динозавра з характеристиками рептилій і птахів, які їх пов'язують. Він пускає стрілу, але це примітивна гармата – порохове ракетне паливо переміщено з набою на пускову уставу. Склад пороху (рецепт) для горщика, ймовірно, відрізняється від рецептури вогняної стріли, бо він повинен був горіти швидше. Це підводить нас до теми зернення, яка зазвичай асоціюється з вогнепальною зброєю, але яку ми представимо тут, бо вона виявляє важливу відмінність у швидкостях дефлаграції між ракетами та гарматами.
Зернення
Як і будь-яке тверде паливо, порох горить на своїй поверхні. Як ми побачимо, це важлива характеристика, що керує конструкцією твердопаливних ракет. Площа поверхні пороху найбільша, коли суміш компонентів – сірки, вуглецю та селітри – становить дрібний порошок. Ми бачили, що інгредієнти все одно потрібно ретельно перемішати, і це тому, що паливо (частинки сірки та вуглецю) має фізично зв’язатися з окислювачем (селітрою). Це зв’язування відбувається легше, коли вуглець з пористої деревини, що сприяє процесові зв’язування на мікроскопічному рівні10.
Отже, [чорний] порох повинен бути порохом. Але порох спалахує дуже швидко – занадто вибухово для рушниці (може розірвати дуло) і занадто швидко для ракети. Значною мірою швидкість горіння (burning rate) можна було збільшити для ракетного палива, запакувавши порох у довгу і тонку камеру. Нагадаємо, що чорний порох горить на своїй поверхні, тому якщо один кінець запалений, і цей кінець – відкрита поверхня пороху, упакованого у вузьку трубку, то швидкість горіння буде обмежена. Однак такої геометричної форми палива самої по собі недостатньо ні для ракет, ні для гармат. Крім того, порошок гранулюється – перетворюється на зерна. Зернення часто робили шляхом додавання невеликої кількості рідини (що покращувало зв’язування інгредієнтів), повторного змішування та сушіння. Розмір зерна можна було контролювати. Більші зерна відповідають меншій загальній площі поверхні, тому швидкість горіння була контрольована. Протягом століть артилеристи (і ракетники) навчилися гранулювати зерна, щоб забезпечити найкращу швидкість горіння для призначеної пускової устави.
Вигода для зброї подвійна. По-перше, вибуховий порох може розірвати камеру, тому швидкість горіння (burn rate) потрібно подовжити, щоб зменшити піковий тиск. По-друге, подовжений час горіння збільшить силу, прикладену до набою завдяки розширенню газів. Ідеально для зброї порох горів би, поки набій ще був у дулі, а згоряння завершувалося, коли він виходив. Отже, довгодульні гармати повинні мати повільніше горіння палива, ніж короткодульна зброя. Тож паливо для гармати слід добирати — універсальний підхід був би неефективним і небезпечним11.
Ракети піднімаються і падають
Тепер ми можемо розлучитися зі зброєю (зазначивши, що порох поширився на більшу частину Старого світу і породив дуже поширений і тривалий процес розвитку артилерії, а потім вогнепальної зброї) і приступити до розвитку ракет від середньовічних китайських вогняних стріл.
Одна з унікальних людських властивостей – наша схильність і здатність проєктувати й будувати машини з єдиною метою — відлушпарити інших представників нашого власного виду. Зброя, мабуть, найкращий підхожий аргумент. Нам подобається думати, що ракети використовувалися для інших, вищих, цілей, таких як фоєрверки, але не можна заперечувати, що основним стимулом для розвитку ракетної техніки був військовий. Фоєрверки стали вогняними стрілами в Китаї; за межами Китаю проєктування, конструкція та використання ракет майже повністю були спрямовані на додавання можливостей та різноманітності зброї війни, відтіснивши далеко на задній план фоєрверки. Зараз ми перебуваємо в тринадцятому столітті, і цей процес триватиме зі злетами та падіннями до дев’ятнадцятого. Ракети та гармати поширяться по Старому світу й урізноманітнять конструкцію, але гармати переможуть, і ракети стануть чимось на кшталт доповнення до інструментарію світових арсеналів до шістнадцятого століття.
У Сирії близько 1270–1280 років (після знищення монголами Багдаду в 1258 році, що вважається завершенням Золотого віку ісламу), арабський хемік та інженер на ім’я Гасан аль-Рама написав трактат «Книга військової верхової їзди та винахідливих військових пристроїв». у якому подано не менше ніж 122 рецепти пороху, з яких 22 придатні для ракетного палива. Ймовірно, від арабів європейці вперше дізналися про чорний порох і ракети.
Через кілька років після монгольської навали на Східну Європу в 1241 році Папа Інокентій IV вирішив, що було б гарною ідеєю відправити послів та інших представників до двору великого хана (Ґуюка, онука Ченґіза). Одним із них був монах-францисканець Вільям де Рубрук (1220–1293), який повернувся до Європи 1257 року й описав свої висновки про все монгольське в дуже яскравій розповіді французькому королю Луї IX; протягом року з'являються повідомлення про експерименти з порохом і ракетами в Кельні. (Солдати Луї постраждали від арабських ракет під час сьомого хрестового походу 1268 року.) Друг Вільяма Роджер Бейкон (1214–1292), з яким ми вже стикалися, покращив рецептуру пороху; результатом стало краще паливо, що збільшило дальність польоту ракет. Жан Фруасар (Jean Froissart) (1337–1405), французький письменник та історик, зазначав, що ракети були б точніші, якби їх запускати з труб, провіщаючи базуку приблизно на 550 років. Баварський військовий інженер Конрад Кайзер (Konrad Kyeser), автор «Беліфортіс» (Bellefortis – сильні у війні) (ілюстрованого військового посібника, написаного приблизно в 1405 році), писав про високотехнологічну зброю того часу, зокрема противагові облогові машини (наприклад, требюше) і ракети. Австрійський військовий інженер, що працював на Угорське королівство Угорщина, Конрад Гаас (Conrad Haas ) (1509–1576), описав ракетну технологію, яка звучить дуже сучасно: триступенева ракета, рідинне паливо, дельтоподібні стабілізаційні ребра і навіть сопла. Багатоступеневі ракети описав у невійськовому контексті Йоган Шмідлап (Johann Schmidlap), німецький виробник фоєрверків, який проводив експерименти в 1590 році, описуючи двоступеневу ракету. Казимир Семенович, генерал артилерії армії Речі Посполитої, обговорював фоєрверки, піротехніку та багатоступеневі ракети у «Великому мистецтві артилерії», частина 1, опублікованому в 1650 році. Ця робота була перекладена кількома європейськими мовами і залишалася стандартним довідником протягом двох століть. Натаніел Най (Nathaniel Nye), англійський полімат з Бірмінгему, написав «Мистецтво артилерії» 1647 року на основі свого досвіду в англійській громадянській війні; ця книжка містила 43-сторінковий розділ з ракетної техніки12.
Перелічуючи ці різні історичні фрагменти, що стосуються ракет, читач може з’єднати цятки, які не утворюють картини. Ми не маємо на увазі тут досліджувану послідовність; Хронологічні посилання представляють незалежні відкриття або описи різних авторів, які могли знати або ні про роботи інших у цій галузі. Не було жодної запланованої та скоординованої програми, щоб познайомити європейців (чи індійців, чи арабів чи персів) з ракетними технологіями – просто так сталося. Якщо результатом нової ідеї, чи складу ракетного палива чи пускової устави, була вдосконалена зброя, то ця ідея поширювалася, бо вдосконалена зброя привертає увагу кожного, незалежно від його культури.
Ракети стали другорядною частиною арсеналу армій і флотів Старого світу; є повідомлення про експериментування, майстрування та розгортання ракет від китайців, індійців, арабів, турків, росіян, німців, голандців, французів та англійців протягом століть. Ракетна техніка залишалася незначною частково через обмеження технології ракетного палива (рецептури пороху) і розуміння ракетної техніки, але переважно через відносно швидке вдосконалення артилерії. 1687 року Айзек Ньютон запропонував міцну основу для розуміння теорії ракет своїм великим твором, можливо, найважливішою книгою з фізики, коли-небудь написаною13. Це піднесення відбулося в 1780-х роках, коли війська Британської Ост-Індської компанії зіткнулися з майсурськими ракетами.
Поновлене піднесення ракет
Британське завоювання Індії спочатку було приватним підприємством, а не політикою уряду. Ост-Індська компанія використовувала війська, щоб звести під свою владу різні роздроблені народи Індії. У 1760-х роках вони розпочали війну з Гайдером Алі, королем Майсуру на півдні Індії. Алі та його старший син Тіпу Султан (один з найцікавіших історичних персонажів) дуже вміло захищали своє королівство, поки останній не був убитий наприкінці століття. Щоб підкорити Майсур, знадобилося чотири англо-місурські війни; цей міцний опір частково був обумовлений першістю королівства в ракетній техніці.
Армія Майсуру мала регулярний ракетний корпус, який на своєму піку налічував близько 5000 чоловік (див. рис. 2.3а). Запорукою їхнього успіху були м'які залізні трубки, в які запаковували ракетне паливо; ця трубка могла витримувати набагато вищий тиск, ніж паперовий (чи дерев’яний, чи картонний) корпус європейських ракет, тому ракети Майсуру мали значно більшу дальність – один-два кілометри. Звісно, вони були дуже неточні, і тому їх масово вистрілювали, щоб вкрити широку територію. Залізний корпус був прив’язаний до бамбукового держака завдовжки до 3 м (10 футів). Іноді до заднього кінця ракети прикріплювали сталеве лезо; через аеродинамічну нестабільність це лезо шалено крутилося, пробиваючись через ворожі війська. Інші ракети вибухали над головою, як артилерійські набої.
Рис. 2.3. Зеніт порохових бойових ракет. (а) Майсурський солдат використовує свою ракету як флагшток. Акварель Роберта Гоума, 1793–1794. (b) Різні військові ракети, розроблені у Вулвіцькому арсеналі (з 1801 р.) з ракет, захоплених в Індії. Схема сера Вільяма Конгріва, 1814. (c) Зразок ракети Конгріва 1813 року (корпус – у разі вживання він буде прикріплений до довгої палиці) у приватній колекції Гр. Клаузе Штольце, Ляйпциг. Зображення Річарда Тенанта.
Майсурські ракети цього періоду протягом багатьох років були виставлені в Королівському військовому сховищі в Лондоні . Кілька сотень невикористаних майсурських ракет, а також ракетних устав потрапили до рук британців після останньої битви (при Срірангапатамі в 1799 році). Багато з них відправлені до Англії для аналізу, так розпочалося те, що сьогодні називалося б програмою досліджень і розроблень для модернізації британських військових ракет. Результатом стала знаменита ракета Конгріва, розроблена сером Вільямом Конгрівом, наглядачем Королівських лабораторій в Королівському арсеналі у Вулвічі, Лондон. За власний кошт Конгрів розробив модифікації майсурських ракет і ракетного палива15, випустивши сімейство ракет-палиць від легких кількафунтових до важких – до 300 фунтів (див. рис. 2.3b, c), хоча і 100 фунтів і вище ніколи не використовували в британській армії — вони були надто дорогі у виробництві та громіздкі для транспортування (палиці мали довжину до 25 футів). Найширше були розгорнуті 32-фунтові ракети Конгріва. Конгрів стандартизував виробництво та встановив необхідні специфікації для складу ракетного палива. Його конструкція допускала два типи боєголовки: вибухову (кульовий заряд) або запалювальну. Вибухову боєголовку запалювали окремо, час визначався довжиною запалу, обрізаного перед запуском. Це означало, що повітряні вибухи можна було реалізувати в заданих межах.
Ракети Конгріва мали радіус дії до 9000 футів (десь 2,7 км) і запускалися з різноманітних пристроїв, деякі з них мобільні, а деякі – на борту військових кораблів. Їх широко використовували у війні проти Наполеона з різним успіхом. Вони завжди справляли враження на ворога, хоча неточність і ненадійність були обмежувальним фактором для їх прийняття.
Найвідоміше використання ракет Конгріва було в другорядній сцені наполеонівської війни, війни 1812 року, що добре проілюструвала їхні успіхи та невдачі. Наприкінці серпня 1814 року під час битви під Бладенсбургом британський 85-й піхотний полк з великим успіхом обстріляв свого американського ворога, стрілецький батальйон, яким командував генеральний прокурор США. Лейтенант Джордж Ґліґ, шотландець, який брав участь у кампанії, став свідком відповіді американців: «Ніколи люди зі зброєю в руках не використовували ліпше ноги». Ця принизлива поразка привела до залишення Вашинґтону і спалення Президентського палацу (так тоді називали Білий дім).
Через три тижні під час тієї самої Чесапіцької кампанії британці знову обстріляли форт Мак-Генрі в Балтіморі. Цього разу ракети (32-фунтові) були випущені недалеко від берега з корабля «Еребус» (HMS Erebus). «Еребус» був шлюп, переобладнаний у ракетний корабель, і він випустив десь 600–700 ракет, але вони здебільшого не досягли цілі й не завдали значної шкоди форту. Цей випадок добре відомий, бо він надихнув рядок у національному гімні США, написаний Френсісом Скотом Кі, який був свідком шквалу: «...І червоні відблиски ракет, бомби, що розриваються в повітрі...», що говорить нам, що боєголовки, використані при цьому, були вибухові. Разом узяті, обидві бойові дії показують, що ракети Конгріва справили принаймні психологічний вплив через дим і полум’я, шипіння і виск, а також розрив боєголовок. Вони могли завдати шкоди та розбити піхотні формування на відкритому просторі, але не так, коли вони були за укріпленнями. Крім того, «Еребус» був змушений зупинитися через артилерію США у форті Мак-Генрі, що засвідчує: ефективна дальність дії ракет не перевищувала дальність дії артилерії на той час16.
Британці використовували ракети Конгріва в більшості війн, які вони вели протягом перших шести десятиліть дев'ятнадцятого століття, перш ніж ті поступилися місцем новому типові – ракеті Гейла зі стабілізацією обертання. Вільям Гейл (William Hale ), британський інженер, зрозумів, що нахилені реактивні отвори та вигнуті крила приведуть до обертання його ракети в напряму руху, як кулі гвинтівки, і що це підвищить стабільність і точність ракети. Це також усунуло громіздкі палиці та полегшило зберігання та транспортування ракет. Дальність дії ракет Гейла була десь як у ракет Конгріва; стандартна вага становила 24 фунти. Цікаво, що винахід Гейла (1844) вперше застосувала армія Сполучених Штатів під час Американо-мексиканської війни (1846–1848) і досягла певного успіху, особливо під час облоги Веракрусу. Британська армія використовувала ракети Гейла до кінця дев’ятнадцятого століття, хоча задовго до цього часу відбувся значний прогрес в артилерійській техніці, що перевів більшість ракет на ролі мирного часу17.
Зараз ми розглянемо найважливішу з цих ролей порохових ракет у мирний час.
Ракети для порятунку
Від початку дев’ятнадцятого століття і до наших днів існує довга лінійка, так би мовити, лінеметів (line-thrower rockets), які використовуються для морського порятунку. Останнім часом на зміну піротехнічним ракетам прийшли пневматичні лінійки.
Аварії кораблів були дуже поширені в епоху вітрил, коли берегові вітри могли зносити ці дерев’яні судна на небезпечні скелі під час шторму. Часто екіпаж і пасажири корабля, що затонув, були достатньо близько до берега, щоб їхнє становище було видно і чутно для глядачів, але порятунок рятувальним човном був неможливий через бурхливе море та близькість цих небезпечних скель. Запроваджено лінемети, пристрої, призначені для переміщення каната від берега до враженого корабля, вздовж якого моряки могли б пройти (наприклад, за допомогою рятувальної люльки (breeches buoy) або, пізніше, боцманського стільця (bosun’s chair) до безпечного місця.
Першим таким пристроєм був міномет, винайдений капітаном Джорджем Менбі (George Manby). Він стріляв кулею, що була з’єднана з ланцюгом або мотузкою, і вперше була використана для порятунку семи членів екіпажу брига «Елізабет», що зупинився біля Грейт-Ярмуту, на південно-східному узбережжі Англії, у 1808 році. Підраховано, що понад тисячу людей були врятовані цим пристроєм протягом наступних кількох десятиліть. Однак у цьому разі ракети були кращі, ніж гармати, з причини, що зрезонувала в історії, як ми побачимо: ракетна устава набагато легша за гармату. 1818 року англійський інженер Генрі Тренґрауз (Henry Trengrouse) розробив ракетний апарат для перекидання ліні через уражений корабель. Протягом багатьох років використовувалися різні конструкції ракет. 1827 року відбулося випробування між мінометом Менбі і апаратом Тренґрауза, який запускав ракету, розроблену іншим жителем південного узбережжя Англії Джоном Денетом (John Dennett). Ракетна система (див. рис. 2.4) виявилася ефективнішою, бо їй було легше маневрувати пересіченою місцевістю на позиції навпроти ураженого корабля. 1855 року проста двоступенева ракета, винайдена полковником Едвардом Боксером (Edward Boxer) з королівської артилерії, подовжила дальність метання лінів до 600 м і залишалася в експлуатації до Другої світової війни18.
Рис. 2.4. Лінемет з прикріпленим шнуром для порятунку моряків із кораблів, що тонуть. Ілюстрація з «Військової енциклопедії Фароу: словника військових знань», 1885, с. 68.
У Сполучених Штатах гармата Лайла (короткодульна гармата, названа на честь її винахідника Дейвіда Лайла) використовувалася з кінця дев’ятнадцятого століття до 1952 року, коли її замінили лінеметами. Вона мала максимальну дальність, як у ракети Боксера.
Золотий вік ракет
Найкоротший огляд розробляння ракет звучить так: (i) ракети з чорним порохом поширилися з Китаю. (ii) Ракетна технологія розвивалася повільно, здебільшого у військовому контексті, але технології артилерії та вогнепальної зброї випереджали її, і тому ракети так і не злетіли, так би мовити, протягом кількох століть. (iii) Наприкінці вісімнадцятого століття британці розробили військові ракети, одержавши їх під час колоніальних воєн в Індії. (iv) Це коротке відродження було знову затінене артилерією — під час Другої промислової революції були досягнуті великі технологічні успіхи, головно тому, що з’явилися нові вибухові речовини та ракетне паливо.
Цей підсумок підводить нас до кінця дев’ятнадцятого століття і до початку Золотого віку. У цьому розділі ми побачимо, чому ракетна техніка нарешті злетіла — здебільшого завдяки новим ракетним паливам і новому мисленню, коли люди почали дивитися в космос і думати про те, щоб туди потрапити. Почнімо з огляду звичайних підозрюваних — короткого погляду на наших улюблених ракетників (див. рис. 2.5) і чому вони потрапили в наш список А. Тоді ми розмістимо їх у ширшій картині розвитку ракет.
Ракетники
Озираючись на друге десятиліття двадцять першого століття, навіть побіжний погляд виявляє, що до розробляння ракет за останні 130 років були залучені сотні тисяч людей (тільки в НАСА працювало понад 400 000). Проте на рис. 2.5 ми скоротили кількість до 11 осіб. Звісно, цей список A надто спрощений, і він дратуватиме багатьох читачів19. Усі 11 – білі чоловіки, хоча перегляд файлів персоналу НАСА покаже безліч культурно та гендерно різноманітних облич. Обізнані читачі можуть правомірно запитати: «Чому X немає у списку?» або "чому Y розміщено вище від Z?" У нашому списку немає жодного з літературних гігантів, що так вплинули на те, як людство XIX століття думало, як ми побачимо, про ракети та космос. Айзека Ньютона там немає, хоча він відкрив закони механіки та гравітації, які лежать в основі всієї ракетної фізики.
Рис. 2.5. Наша Зала слави піонерів ракетобудування. За годинниковою стрілкою зверху: Костянтин Ціолковський, російський шкільний вчитель; Герман Оберт (Hermann Oberth), австро-угорський фізик та інженер; Вернер фон Браун (Wernher von Braun), німецький аерокосмічний інженер; Джордж Мюлер (George Mueller), американський інженер-електрик; Вальтер Гоман (Walter Hohmann), німецький інженер; Робер Есно-Пельтері (Robert Esnault-Pelterie), французький науковець; Фрідріх Цандер (Friedrich Zander), німецький інженер-ракетник; Юрій Кондратюк, український інженер і математик; Біл Пікерінг (Bill Pickering), новозеландський науковець-ракетник; Сергій Корольов, український інженер-ракетник; Роберт Ґодард (Robert Goddard), американський інженер. Перелічені громадянства – за народженням; шість з одинадцяти змінили громадянство протягом свого життя.
Все, що ми можемо сказати для самозахисту: це наша книжка. Ваші автори — фізики за освітою та інженери за професією – цей досвід вплинув на наш вибір. Кожен, хто має будь-які знання з історії ракет, напевно помістить більшість із цих людей у свою власну Залу слави ракетної техніки. Ньютона там немає, тому що він не розробляв ракети безпосередньо, але він, безумовно, потрапив у список Б. Вам не обов’язково має подобатися наш вибір, щоб оцінити їхній внесок (у біографіях деяких чоловіків на рис. 2.5 є досить багато того, що не подобається). Нижче наведено короткий огляд технічного внеску кожного чоловіка, головна мета якого – надати зацікавленим читачам покликання на книжки та статті, які стосуються біографії кожного з них.
Почнімо з верхньої частини рис. 2.5, із так званого «батька» ракетної техніки, хоча «дідусь» може бути кращим описом. Костянтин Ціолковський (1857–1935) був одинаком-самоучкою, який багато років працював учителем математики в невеликому містечку за 150 км на південний захід від Москви. Натхненний роботами Жуля Верна, Ціолковський глибоко замислився про космос і ракетний рух і розробив дивну (дещо дивну за сучасними мірками) теорію про вдосконалення людства шляхом створення нірвани в космосі. Євгеніка тут теж прокрадається. Щодо позитивнішого, він у нашому списку, справді, на вершині, бо він розробив основне рівняння, яке керує всією ракетною технікою – значно більше про це в розд. 3. Ціолковський багато писав про технічні аспекти ракетної техніки та космічної колонізації, а згодом і про літаки20.
Також біля вершини маємо Роберта Ґодарда (1882–1945). Слабкий хлопчик, натхненний батьком і Гербертом Велзом, виріс і став слабким професором фізики, який будував ракети (на відміну від Ціолковського) і започаткував епоху практичної ракетної техніки. Від природи він був практичним майстром і винахідником. Він отримав 214 патентів, зокрема один на багатоступеневу ракету та один на рідиннопаливну ракету. Він дивився в космос – справді, як і більшість із нашої Зали слави, він був зачарований ним, — але його ракети нікуди не привели. Пікова висота його 34 запусків становила 2,6 км, чого сьогодні можна досягти за допомогою модельної ракети. Але він вказав дорогу. Не дуже цінований за життя, частково через надмірну секретність, Ґодард був визнаний після смерті надзвичайно впливовим; Центр космічних польотів НАСА був названий на його честь у 1959 р.21
Герман Оберт (1894–1989) служив у медичній частині австро-угорської армії під час Першої світової війни. Він цікавився ракетною технікою з дитинства, під впливом Жуля Верна та технічних публікацій Ґодарда. Після війни його докторську дисертацію з фізики ракет відхилив Гайдельберзький університет у Німеччині як занадто утопічну, тому він опублікував її приватно. Пізніше румунський університет (Клуж) прийняв його дисертацію. Забезпечуючи себе, працюючи шкільним учителем, Оберт багато писав про ракетну техніку та космічні подорожі. Він приєднався до Німецького ракетного товариства, VfR, і був наставником багатьох його ентузіастів, зокрема молодого Вернера фон Брауна. Він відкрив ефект, названий на його честь, який максимізував ефективність ракетного палива під час подорожей у космосі (розглянуто в розділі 3). Під час Другої світової війни Оберт працював над кількома німецькими ракетними програмами. Згодом він жив і працював у Швейцарії, Італії, Німеччині та Сполучених Штатах, завжди пишучи і даючи поради щодо ракет і космічних подорожей.
Сергій Корольов (1907–1966), відомий як генеральний конструктор у період свого зеніту (1950-60-ті роки), керував совєтськими проєктами «Спутнік» і «Восток», які вивели першу людину на орбіту Землі. Ставши жертвою великої сталінської чистки в 1938 році, Корольов був інтернований до ГУЛАГу на шість років, залишився без зубів, з проблемами зі здоров’ям і змученим поглядом на життя. Чистки призвели до втрати багатьох науковців-ракетників, тому Совєтський Союз відстав від Німеччини в розробленні ракет під час Другої світової війни. Пізніше Корольов займав важливе місце в розробленні совєтських міжконтинентальних балістичних ракет (МБР), перш ніж звернутися до космічної програми. Він помер у віці 59 років під час розроблення совєтської програми запуску ракети на Місяць у 1966 році, отримував державні нагороди22.
Читачів може вразити, як вразило нас, що піонери ракетобудування, здається, не робили стандартної кар’єри, проходячи шлях від блискучого університетського навчання до університетського професора, а потім, можливо, очолюючи промислову дослідницьку команду. Насправді багато хто з них робив її; однак неспокійні часи, в які вони жили, у поєднанні, можливо, з ранньою недовірою до ракетобудування (або, скорше, до «мрійливих» ракетників, які вдивлялися в космос) з боку академічної та урядової влади, безсумнівно, приводили до деяких яскравих життєвих історій.
Вернер фон Браун (1912–1977) був на передньому краї ракетобудування в нацистській Німеччині, а потім понад 40 років у Сполучених Штатах. Народився в аристократичній родині, він рано зацікавився космосом під впливом творів Оберта. Бувши молодим студентом-інженером, він допомагав Обертові в розроблянні рідиннопаливних ракет для Німецького товариства космічних подорожей. Його докторські дослідження фінансував Райхсвер, німецькі збройні сили до Другої світової війни, і фон Браун переїхав до спеціального військового дослідницького центру на Балтійському узбережжі в Пенемюнде в середині 1930-х років, щоб продовжити свою тему. До 1944 року його команда вивела вперед німецьку ракетну техніку відносно ворогів часів війни (головно США та СРСР); ракети V2, які доставляли боєголовки до Лондону (здебільшого), сильно випереджали будь-які ракети, що тоді мали союзники23. Член нацистської партії та СС (можливо, заради кар’єрного зростання, а не ідеології), фон Браун вважав за краще здатися американцям, а не совєтам у кінці війни, і він (і більшість його команди) переїхав до Америки і продовжив розробляти ракети. Під час холодної війни його робота привела до створення ряду американських балістичних ракет («Редстоун» (Redstone), «Юпітер-Сі» (Jupiter-C), «Джуно» (Juno), «Першинu» (Pershing)). У 1960 році фон Браун (тепер громадянин США) і його команда були переведені до щойно створеного НАСА для розробляння важких ракет для зароджуваної космічної програми. Результатом стали ракети-носії «Сатурн I» [IB і V] (Saturn), усі дуже успішні. Через дванадцять років фон Браун залишив НАСА, щоб працювати в аерокосмічній галузі в приватному секторі промисловості; він продовжував виступати за освоєння космосу та освіту громадськості щодо космос.
Біл Пікерінг (1910–2004) – перший нудний ракетник з нашого А-списку. Вибач, Біле, але це справді комплімент: Пікерінг не має гидких політичних прихильностей і не провів важких часів у в’язниці. Він народився в Новій Зеландії, здобув американське громадянство після вивчення інженерії та фізики в Калтеху та приєднався до Лабораторії реактивного руху (JPL) під час Другої світової війни. Він керував ЛРР з 1954 по 1976 рік, протягом цього часу його група запустила, метафорично і буквально, кілька гучних космічних програм, таких як «Експлорер» (Explorer) (перші супутники США), «Піонер» (Pioneer) (космічний корабель для дослідження планет), «Ренджер» (Ranger) (зонди для отримання Місяцевих зображень), «Сервеєр» (Surveyor) (дослідники Місяцевої поверхні), «Марінер» (Mariner) (пролітні супутники Марса, Венери та Меркурія) і «Вікінг» (Viking) (посадковий апарат на Марс). Завершення цих великих досягнень – його робота над балістичними ракетами для армії США і, як тільки він пішов у відставку, програма «Вояджер» (дослідження зовнішніх планет). Пікерінг розумів науковців та інженерів, які працювали на нього, але також, як і Корольов, уживався з політиками та генералами, які йому були потрібні.
Джордж Мюлер (1918–2015) – другий американський технічний адміністратор у нашому списку A. Як і багато інших, у дитинстві він надихався науковою фантастикою. Після закінчення університету зі ступенем інженера-електрика, деякий час попрацювавши в промисловості, здобувши ступінь доктора і ще трохи попрацювавши в промисловості (між іншим, над балістичними ракетами), Мюлер приєднався до НАСА як менеджер у 1963 році. Він реструктуризував організацію. і зробив можливим здійснення мети президента Кенеді – доставити людину на Місяць до кінця того десятиліття. Його найвідоміший внесок – це модель тестування «комплексно» (all-up), коли величезна система «Сатурн V» (триступенева важка ракета-носій, яка використовувалася для підтримки програми «Аполон»), була випробувана відразу, а не традиційним (і повільнішим) покомпонентним (component-by-component) тестуванням, якому віддавав перевагу прискіпливий фон Браун. Після першої катастрофи з «Аполоном-1», яка коштувала життя трьом його членам екіпажу, підхід Мюлера був підтверджений наступними запусками і посприяв польотові «Аполону-11» на Місяць і назад. Згодом він допомагав розробляти «Скайлаб» (Skylab) і активно виступав за космічні апарати багаторазового використання. Під час роботи в НАСА він проводив власну борозну; характерно, що ті, хто не погоджувався з ним, все ж вважали його надзвичайно здібним. Через скорочення космічної програми Мюлер покинув НАСА і повернувся до роботи в промисловості в грудні 1969 року24.
З Юрієм Кондратюком (1897–1942) та Фрідріхом Цандером (1887–1933) ми повертаємося від разючих, безпечних і тривалих, але традиційних біографічних траєкторій до совєтського хаосу. Ми також повертаємося до минулих часів мислителів, які намічають шляхи майбутнього, а не інженерів, які роблять, щоб воно відбулося. Кондратюк – це навіть не його справжнє прізвище: Олександр Шаргей був змушений вкрасти це ім’я під час потрясінь після російської революції 1917 року. Талановитий студент математики та фізики напередодні Першої світової війни, Кондратюк разом із Цандером та Ціолковським поширював ідеї ракетобудування, допоміг у розробленні багатоступеневих рідиннопаливних ракет, обговорював ідею космічних ліфтів, які тільки тепер розглядають як здійсненні (розділ 7). Він працював на тлі війни, хаосу та політичних репресій, проводив час у тому ж відділенні ГУЛАГу (шарашці, для дослідницької роботи), що й Корольов, з яким пізніше познайомився. Цандер досліджував ідеї міжпланетних подорожей, такі як сонцеві вітрила, аерогальмування та гравітаційні маневри. Він також працював над практичним ракетним двигуном, але помер незадовго до його успішного першого польоту. З Кондратюком і Зандером ми знову зустрінемося в розд. 3, тож відкладемо подальше обговорення цієї цікавої пари до того часу.
Ще один зі списку А, якого ми знову побачимо пізніше, – це Вальтер Гоман (1880–1945). Натхненний своїм батьком і письменниками-фантастами Жулем Верном і Вілі Леєм, цей німецький інженер став провідною фігурою серед талановитих любительських ракетних ентузіастів Ваймарської республіки (тої хаотичної версії Німеччини, яка існувала між кінцем Першої світової війни в 1918 році і піднесенням Гітлера в 1933 році). Він чимало писав про багато технічних аспектів космічних подорожей, винаходячи такі концепції, як окремий посадковий модуль для місячних подорожей та найенергоефективніші засоби переміщення між орбітами планет.
Роберт Есно-Пельтері (1881–1957), француз, єдиний західноєвропейський представник у нашому списку А. Яскравий промисловець і винахідник, він стимулював розвиток авіації у Франції, перш ніж звернув свою увагу на ракетну техніку. Він самостійно вивів ракетне рівняння (не знаючи про попередні роботи Ціолковського), винайшов векторну/спрямовану тягу (vectored thrust) (через поворотне сопло, тепер майже повсюдно прийняте конструкторами ракет), запропонував ядерні ракети та балістичні ракети та провів експерименти з різними ракетними паливами (що коштувало йому чотирьох пальців внаслідок вибуху). За своє плідне життя Есно-Пельтері отримав 120 патентів. Він придумав слово астронавтика25.
Востаннє редагувалось Суб квітня 23, 2022 1:39 am користувачем Кувалда, всього редагувалось 4 разів.
Re: Ракетна наука: Від фоєрверків до фотонного рушія
поправив. дякую
Re: Ракетна наука: Від фоєрверків до фотонного рушія
Нові ракетні палива, нові ракети
Друга промислова революція відбулася протягом пів століття приблизно з 1870 року на Британських островах (батьківщині Першої промислової революції), у Західній Європі, Сполучених Штатах та Японії. Протягом цього важливого періоду технології та засоби масового виробництва промислових товарів розповсюдилися з Великої Британії та поширилися експоненційно. Мало того, що нові технології з’являлися у світі з постійно зростними темпами, але й продукція, що випускалася за старими технологіями, вироблялася ефективніше, надійніше та дешевше. Саме в цей період фабрикати стали доступними для простих людей. Дійсно, ідея фабрик у сучасному розумінні (з виробничими лініями та живленням від електрики) виникла під час Другої промислової революції.
Дві з нових галузей, які виникли, були точне машинобудування та хемічна промисловість. Серед багатьох інших речей, вони привели до підвищення ефективності вогнепальної та артилерійської зброї завдяки кращому виробництву (покращені конструкції та допуски, покращення якості сталі) та ліпшого палива (бездимні порохи). Ця технологія привела до створення набагато кращих пістолетів і гвинтівок у третій чверті дев’ятнадцятого століття, а також до вдосконалення артилерії в останній чверті та безпосередньо вплинула на історію, змінивши війну. Тоді як втрати під час громадянської війни в Америці були значною мірою наслідком куль, жертви Першої світової війни значною мірою були спричинені артилерійськими набоями, бо в них відбувався швидкий прогрес протягом десятиліть між цими двома конфліктами. Нищівна ефективність нової артилерії привела до падіння значення ракетної зброї в період Другої промислової революції.
Ракети залишалися в центрі уваги, коли дев’ятнадцяте століття наближалося до кінця, не через їхнє військове значення, а тому, що вони були єдиними машинами, які могли вивести людей у космос. Наукова фантастика ставала популярною і надихала таких теоретиків і мрійників, як Ціолковський і Оберт досліджувати фізику освоєння космосу – як людство насправді може відправити людей на Місяць чи Марс. Не тільки, але особливо, Жуль Верн («Із Землі на Місяць», 1865) і Герберт Велз («Перші люди на Місяці», 1901) писали про ідеї, які запалювали уми хлопчаків і юнаків, як теоретиків, так і практичних реалізаторів — інженерів – від Роберта Ґодарда до Вернера фон Брауна. Щоб пояснити еволюцію освоєння космосу на початку двадцятого століття, є спокуса провести пряму лінію, яка веде нас по шляху від наукової фантастики (ми могли б досліджувати космос, якби...) до фізики (так це працює...), до інженерії (так ми це зробимо...), але, звісно, як і вся історія, реальність не така проста. Наша пряма лінія підсумовує тенденцію, але обходить важливі історичні впливи. Тож, наприклад, вона наводить на думку, якщо розглядати терміни розвитку ракетної техніки (початок ХХ століття), але не говорить про те, чому основні центри розвитку були в Німеччині та Совєтському Союзі26.
Що стосується термінів, то зазначимо, що за кілька років у всьому світі виникла низка аматорських товариств і професійних установ, які пропагували та рекламували ідею створення ракет, щоб виводити людей у космос та інші світи. Особливо зверніть увагу на дати заснування таких установ:
• Червень 1927: «Товариство космічних подорожей» (Verein für Raumschiffahrt (скорочено VfR) заснував у Німеччині інженер, фізик і науковий письменник для розробляння ракет. Його членами були Оберт і фон Браун.
• Квітень 1930: Американське міжпланетне товариство (American Interplanetary Society) (пізніше Американське ракетне товариство (American Rocket Society)), заснували письменники-фантасти, щоб заохочувати та сприяти розробленню ракет для освоєння космосу.
• Вересень 1931: Група вивчення реактивного руху (скорочено ГВРР), перша в світі велика професійна ракетна програма, була совєтським дослідницьким бюро. Видатними членами були Корольов і Цандер.
• Січень 1933 року: Британське міжпланетне товариство (British Interplanetary Society) – некомерційна організація, яку заснували ентузіасти космосу, щоб обстоювати розвиток ракетної техніки та дослідження космосу. Артур С. Кларк був одним із перших членів.
Між війнами були економічний хаос, політичні репресії та мрії про кращий світ подалі від Землі. Як ви, можливо, зрозуміли з їх описів, ці «ракетні клуби» були не просто говорильнями; вони підтримували, заохочували та проводили експерименти з ракетами, щоб покращити робочі параметри шляхом застосування нових технологій – кращого проєкту, кращого керування, кращого палива.
А що з ракетним паливом? Ми детально розглянемо розроблення та характеристики ракетного палива, коли перейдемо до розділу 5; тут лише потрібно знати, що вони бувають двох видів: тверді та рідинні. Коротше кажучи, твердопаливні ракети менш складні та дорогі, ніж рідиннопаливні, але рідинне паливо може мати вищу густину енергії і тому вони підхожіші кандидати для ракет великої дальності (понад кілька миль). Крім того, швидкість горіння рідинного палива контролювати можна легше і повніше, ніж твердого палива.
А як щодо ракетних клубів? Спочатку (скажімо, перша чверть ХХ століття) аматорські та невеликі, у багатьох країнах вони разом із ракетами, що їх виробляли, виросли в більші національні організації, часто під військовим контролем. Як ми побачимо далі, з настанням Другої світової війни вони зосередилися на ракетних дослідженнях за військовими напрямами. Розробляння до Другої світової війни характеризувалися підвищенням продуктивності та витонченості проти дуже скромних початків. Короткий заголовок цього періоду може бути такий: «Ґодард, ГВРР і VfR». Американський піонер започаткував сучасну ракетну техніку великої дальності, приєднавши надзвукове сопло (де Лаваля) до камери згоряння одного зі своїх рідиннопаливних ракетних двигунів, так значно підвищивши тягу двигуна та його ефективність (докладніше про важливість сопел у розділі 4). Його попередні зусилля принесли скромні результати і висміяні «Нью-Йорк таймз» (у статті, опублікованій 13 січня 1920 року, відкликаній у 1969 році після успішної посадки «Аполона-11» на Місяць). Дослідження Ґодарда, певно, були широко недооцінені в Сполучених Штатах, але не в інших місцях. Ідея космічного польоту розпалила російську уяву в цей період. Тож совєтська преса припускала, що Ґодард планував запустити ракету на Місяць 4 липня 1924 року; лекція про цю шалену фантазію привела до втручання кінної міліції за межами московської лекційної зали для підтримки порядку, таким був ентузіазм громадськості. Починаючи з 1933 року совєтські зусилля, скеровувані ГВРР, привели до ряду ракет дедалі більшої потужності, хоча їх прогрес був загальмований у 1938 році, коли її лідера, Валентина Глушка, заарештували в рамках сталінської чистки.
Прогрес Товариства космічних подорожей (VfR) у Німеччині був разючий і короткий, як скайрокет, що вибухає в повітрі. Воно налічувало понад 500 членів у свій апогей і експериментувало з ракетами, прикріпленими до автомобілів, літаків, потягів, снігових саней – усього, що рухалося – а також з вільнолітними ракетами (free-flying rockets). Дуже багатонадійний інженер-ракетник на ім’я Райнгольд Тілінг загинув від вибуху ракетного палива в 1933 році, але його смерть ледь зашкодила прогресові Німеччини в цей період. Фінансування було мізерне, і VfR звернувся до німецької армії по гроші та випробувальні засоби. Розвиток німецької аматорської ракетної техніки припинився в 1932 році, але дослідження швидко продовжилися під військовим контролем. Міра прогресу в 1930-х роках – збільшення висоти, досягнутої ракетами: німецька пробна ракета в 1931 році піднялася на висоту 500 м; пізніше того ж року одна з ракет Тілінга піднялася на висоту 2 км. Совєтська ракета досягла 4,8 км у 1933 р., а інша – 5,6 км у 1936 р. Німецька ракета А5 досягла 12 км у 1938 р. Потім почалася війна27.
Друга світова війна
Давши поштовх до технологічного розвитку ракетної техніки, Друга світова війна ознаменувала зростання використання та можливостей малих твердопаливних ракет малої дальності та, що ще важливіше, великих рідиннопаливних балістичних ракет великої дальності. Сімейство малих ракет поділяється на дві групи: загороджувальна зброя і прямонавідні ракети (direct-fire rockets). Найвідоміший із загороджувальних засобів Другої світової війни – совєтська «Катюша». Тисячі ракет «Катюша» запущено з кузовів вантажівок безпосередньо перед штурмом німецьких військ (які їх дуже боялися – вони називали ці ракети сталінським органом і через шум, який вони створювали, і через візуальну схожість пускової устави з церковним органом). Вони були вкрай неточні, але для загороджувальної зброї це не має значення; якщо ви націлюєтеся на квадратну милю окупованої ворогом території, то кількість має значення набагато більше, ніж точність. Американці також використовували загороджувальні ракети, які запускали з десантних кораблів-амфібій і кораблів перед висадкою на вороже узбережжя, наприклад острів у Тихому океані, який контролювала Японія. У Другій світовій війні з’явилося багато прямонавідної ракетної зброї, наприклад РПГ (rocket propelled grenades – реактивні гранати/реактивні протитанкові гранатомети), як-от американська базука та німецький панцершрек (panzerschreck)) і ракети «повітря-земля» (наприклад, британська RP-3). З цією зброєю ми знову зіткнемося в розд. 3, і тому доти відкладемо їх подальше обговорення.
Важливішим для нас, бо він прямішим чином пов’язаний з основним розвитком ракетної техніки, був прогрес, досягнутий протиборчими сторонами Другої світової війни в галузі ракет великої дальності. Найважливішою ініціативою, безумовно, була німецька програма «Агрегат» (Aggregat) як з боку впливу, справленого під час війни, так і впливу на розробляння післявоєнних ракет союзників-переможців. Першою в серії була ракета А1, яку розробив 1933 року фон Браун (на той час працював на військовиків під керівництвом Вальтера Дорнберґера на базі в Кумерсдорфі, на південь від Берліну). Двигун працював на спирті та рідкому кисню і був успішно випробуваний, але повністю зібрана A1 вибухнула на пусковій платформі. Нарік успішно запущено дві ракети А2; із 72 кг вони мали половину ваги своєї попередниці, але на відміну від A1 були забезпечені гіроскопічною стабілізацією. Ракета А3, випробувана 1936 року, мала майже в п'ять разів більшу тягу, ніж А2. Запущено кілька A3, але в них передчасно вийшли з ладу двигуни.
Зауважимо, що ми ще в довоєнному періоді. Одна з причин великого прогресу фон Брауна та його великої команди (крім щедрого фінансування та підтримки з боку армії) – безперервність їхньої програми. Несправності можна було досліджувати та виправляти, щоб наступна ракета серії ставала кращою. А5 була зменшеною тестовою моделлю А4 і передувала їй. Це та ракета, яка досягла висоти 12 км у 1938 році. Після приблизно 70 випробувальних запусків у 1941 році А5 вважалася надійною. Далі з’явилася A4, відоміша у світі як V2 (Фау-2).
З 1942 року і до кінця війни дуже багато цивільних Німеччини постраждали від наслідків важких бомбардувань союзників (американців і британців); багато вбито, набагато більше залишилося без даху над головою, а більшість німецьких міст перетворилася на руїни. Щоб помститися, нацисти організували масове виробництво та розгортання Vergeltungswaffen (зброї помсти, або зброї відплати). До середини 1944 року, коли вперше були використані V1 і V2, німецькі військово-повітряні сили здебільшого припинили своє існування, тому про бомбардування у відповідь не могло бути й мови. Першою такою зброєю помсти була V1, відома у Великій Британії – її головній цілі – як buzz bomb або doodlebug. Ця зброя була ранньою крилатою ракетою і складалася з бензинового пульсівного повітрореактивного двигуна, компактного планера і 850 кг (1870 фунтів) вибухівки. Запущена з континентальної Європи, вона могла досягти південної Англії. Близько 7500 запущено в загальному напрямі на Лондон; ця зброя була не керована, а скоріше наведена в потрібному напрямі і з певною кількістю палива. Коли паливо закінчувалося, ракета падала. Десь половина завдала удару, вибухнула і вбила близько 6100 мирних жителів. Інша половина була перехоплена по дорозі й знищена; швидкість польоту 390 миль на годину була досить повільна, щоб їх перехоплював швидкий винищувач або збивав зенітний вогонь.
Друга зброя помсти, V2, була невразлива до перехоплення. Її максимальна швидкість, 3580 миль на годину, надзвукова, що означало, що її не тільки неможливо було перехопити в польоті, але й не було чутно, як вона наближається. Вперше люди на землі дізнавалися про V2, коли вона вибухала. Близько 1100 одиниць цієї зброї (яка складалася з ракети А4 з 1-тонною боєголовкою) запущено по Лондону з вересня 1944 року по квітень 1945 року. Вони вбили близько 2800 людей і поранили 650028. Ракету швидко запускали з мобільної пускової устави (фіксовані місця запуску були б уразливі до повітряного нападу союзників). Після злету вона піднімалася вертикально, а потім під кутом приблизно 45 градусів у напрямі до цілі на висоту близько 80 км (50 миль – край космосу). Через 70 секунд у неї закінчувалося паливо, і вона була керована за допомогою гіроскопічної інерційної навігаційної системи, летячи балістичною траєкторією до своєї цілі. Коли нацистська Німеччина скоротилася наприкінці 1944 року, V2 також були спрямовані на порт Антверпену, який був важливим перевантажним пунктом для військ союзників, які розгорталися на лінії фронту.
Виробництво ракет V2 на секретному підземному об’єкті в центральній Німеччині залишалося високим аж до кінця війни — близько 900 на місяць, разюча кількість, враховуючи їх високу вартість як грошову, так і ресурсну29. Як зброя, V2 була неефективна. Вона коштувала набагато дорожче, ніж V1, і вбила лише на третину менше людей. Її важливість (як третьої за значущістю технологічної розробки Другої світової війни після атомної бомби та радара) полягає в тому, що це була перша балістична ракета великої дальності, яка проклала шлях, як ми зараз побачимо, безпосередньо для розробляння балістичних ракет і космічних ракет часів холодної війни (рис. 2.6).
Рис. 2.6. V2 у війні і мирі. (a) Випробний запуск V2 влітку 1943 року з Пенемюндcького об’єкта. Зображення з Бундесархіву, Bild 141-1880/CC-BY-SA 3.0. (b) Перша фотографія Землі, зроблена з космосу, з камери на борту американської ракети V2, 1946. Знімок армії США.
Холодна війна – Золотий вік ракет
Не повинно бути такою несподіванкою, що період після Другої світової війни привів до більшого прогресу в ракетній техніці, ніж сама війна. Успіхи ракетної техніки воєнного часу були суто військовими, тоді як відносний спокій холодної війни дав змогу досягти успіху в інших сферах, зокрема в ракетах для запуску корисного вантажу в космос.
Американські німці, совєтські німці
Тоді як Друга світова війна наближалася до свого кровопролитного апогею — катастрофічного краху нацистської Німеччини, коли американські та британські сили наближалися із заходу, а совєтські – зі сходу, – переможці передчували найближчий післявоєнний світ. Зрозуміло, що між демократичним Заходом і комуністичним Сходом буде якесь протистояння; справді, нацистська влада сподівалася ближче до кінця, що вони зможуть здатися американцям та англійцям, а потім негайно укласти з ними союз, щоб відбити більшовицькі орди, що вдерлися в їхню батьківщину. Багато совєтських солдатів по-варварському поводилися з німецькими цивільними та німецькими військовополоненими (хоча, треба сказати, не так по-варварському, як німці ставилися до совєтських і польських цивільних і військовополонених). Західні союзники відкинули пропозицію сепаратного миру з нацистською Німеччиною, тому совєти оточили Берлін і розтрощили його. Під час цього останнього катастрофічного місяця війни багато німецьких солдатів і цивільних осіб побачили напис на стіні і вважали за краще, щоб їх захопили американці чи британці, аніж потрапити до рук росіян, що наступали. Серед них були науковці-ракетники та техніки з Пенемюнде.
Совєти захопили німецьке ракетне устатковання та розібрали його, відправивши на схід багато ракет, частин ракет і ракетних інженерів. Американці також захопили ракети V2 і, що важливіше, фон Брауна та багатьох ключових спеціалістів з ракет. Ретельно добираючи щойно завойованих німців у зоні окупації післявоєнної Німеччини, 22 жовтня 1946 року совєти завербували (під дулом зброї) 2200 німецьких ракетних спеціалістів у рамках однієї швидкої операції («Осоавіахім»). Їх відправили на схід (з їхніми найближчими родичами; загалом понад 6600 осіб) для розробляння совєтських ракет. Американці дібрали понад 1800 ключових німецьких спеціалістів, зокрема фон Брауна та його команду, і помістили під «тимчасову обмежену військову варту», за словами одного з історичних вебсайтів НАСА. Їх (і 3700 членів їхніх сімей) відправили до Сполучених Штатів для розробляння американських ракет. (Ось як майбутня космічна гонитва стала певною мірою конкуренцією між конкурентними німецькими фахівцями, як ми згадували в першому розділі.) Фон Браун скористався суперечливими наказами та хаотичною ситуацією в кінці війни, щоб рухатися самому і з найближчою командою на південний захід до частини Німеччини, що дало змогу їм здатися американцям, а не росіянам.
Це захоплення німецьких ракетних інженерів як Совєтським Союзом, так і американцями визначило більшу частину технічного характеру холодної війни, що розгорталася. Нацистська ракетна програма не закінчилася з ракетою А4 – багато інших, досконаліших проєктів були в розробленні або на креслярській дошці. Ці новітні проєкти (до А12) передбачали балістичні ракети середньої дальності та ракети для запуску в космос. Додаткові нацистські ракетні програми охоплювали ЗКР (зенітні керовані ракети/ракети «земля-повітря») для боротьби з важкими бомбардуваннями союзників, ракети «повітря-земля» та «повітря-повітря» та літаки-перехоплювачі з ракетним двигуном.
Ракета A4/V2 перетворилася безпосередньо в американську ракетну програму «Редстоун» (Redstone) 1950-х років. Вона також еволюціонувала безпосередньо в совєтські ракети Р-1, Р-2 і Р-5, відомі на Заході як SS-1 «Scunner», SS-2 «Sibling» і SS-3 «Shyster». На початку 1950-х років совєти вирішили піти окремим шляхом розробляння ракет і відправили додому (до Східної Німеччини) своїх полонених німецьких спеціалістів. Навпаки, багато німецьких фахівців із ракетобудування, вивезених до Сполучених Штатів, залишилися. стали американськими громадянами і продовжили розробляти ракети як військових, так і невійськових (читай НАСА). Отже, тоді як ракети холодної війни обох протагоністів перебували під значним впливом нацистської ракетної програми та персоналу, в космічну гонитву лише американська сторона вступила зі «своїми» німцями – совєти розробили свою космічну програму незалежно.
Від V2 до MIRV
Ось рецепт людського лиха: візьміть дві повоєнні наддержави, США і СССР, додайте п’янку суміш нових технологій у вигляді атомної зброї та ракет, змішайте разом і додайте трохи часу. Ця потужне поєднання не привело (ще не привело) до катастрофи, як ми тепер знаємо заднім числом з відстані сімдесяти років, але ми підійшли близько до неї – результатом стала не гаряча, а холодна війна. Наша книжка не критика людських недоліків і не геополітична халтура, але нам справді потрібно узагальнити певні аспекти цього періоду, хоча б побіжно, бо він був такий важливий для розвитку ракетної техніки.
Від кінця Другої світової війни не знадобилося багато часу, щоб ставлення поляризувалося, щоб кожна наддержава подивилася на іншу через залізну завісу. Холодна війна почалася вже 1949 року, коли совєти випробували атомну бомбу. Вони відчували сильну потребу розробити її, щоб забезпечити собі певний паритет зі США, які до того часу були єдиною країною, що володіла технологією атомної зброї. Як ми бачили, паралельна технологічна гонитва відбулася в ракетобудуванні, керованому захопленими німцями. Двоє перегонів стали єдиними: атомні бомби були мініатюризовані, щоб їх можна було переносити як боєголовки на борту ракет; ракети ставали все більшими, щоб переносити свої атомні корисні навантаження все далі й далі. Кубинська ракетна (Карибська) криза 1962 року виникла через обмежену дальність дії балістичних ракет. Тоді ракети могли нести ядерні боєголовки на кілька сотень миль, але не на тисячі. Тож США розмістили деякі зі своїх ракет в Італії та Туреччині, щоб у разі потреби вони могли вражати цілі за залізною завісою; Совєти хотіли відповісти «око за око» розгортанням балістичних ракет на Кубі – звідси й криза. Протягом року-двох таке розгортання за кордоном стане зайвим, тому що на той час ракети досягли рівня, коли вони могли переносити ядерні боєголовки між континентами.
Світ був дуже небезпечним місцем у 1960-х роках. Технологія зброї просунулася до того етапу, коли ядерні бомби можна було доставляти з одного континенту на інший ракетами. Тоді вважалося, що проти такої атаки невеликий захист, за винятком думки про ВГЗ (MAD), що цього не станеться – майже впевненість у взаємному гарантованому знищенні (Mutually Assured Destruction) завадить будь-якому розумному урядові ініціювати ядерний удар.
Два фільми шістдесятих років висвітлюють глибоке занепокоєння Західного світу тодішньою геополітикою: «Безвідмовний» (Failsafe) і «Доктор Стрейнджлав» (Dr Strangelove). Обидва були засновані на ідеї, що через людську помилку чи помильність може статися ядерна війна.
У цей період ракети перемістилися на передову позицію і в центр суспільного інтересу до технологій. Ядерна загроза була така небезпечна не тільки тому, що ця зброя така потужна, а й тому, що її доставляли ракети. Ракети були такі швидкі, і вони проходили більшу частину своєї траєкторії в космосі, де не було атмосфери, так зменшуючи аеродинамічний опір і ймовірність перехоплення. МБР летіли траєкторіями, подібними до траєкторій V2, але в планетному масштабі: швидке піднімання з місця запуску (підземного або мобільного, щоб запобігти ударам противника до їх розгортання) в космос, а потім балістичний (діє тільки гравітація) політ у район цілі, потім швидкий спуск до цілі. З інерційними системами наведення ці ракети могли б відхилитися на відстань кількох сотень футів від зазначеної цілі.
На ранніх етапах післявоєнного розробляння ракет і керованих ракет прогрес США сповільнювався двома факторами: суперництво між службами призводило до зайвих зусиль, коли армія і флот йшли своїм шляхом і розробляли власні ракети. Якийсь час переважала конкурентна безвихідь, концепція крилатих ракет. «Оманлива» – найкращий спосіб описати концепцію. Обидва ці відволікання були подолані в ході холодної війни, так що початкове відставання від совєтів скоротили, а потім їх і обігнали.
Як боротися з екзистенційною ракетною загрозою? З іншими ракетами. Були розроблені та розгорнуті антибалістичні ракети (АБР); вони могли перехоплювати МБР та знищувати їх у польоті, попереджені масивами сенсорів раннього попередження (наприклад, лінією DEW – далекого раннього попередження – радарів великої дальності на півночі Канади, які могли захоплювати совєтські ракети та бомбардувальники, що прямують над полярним регіоном до Сполучених Штатів). Ці АБР керувалися радіолокаційними та інфрачервоними системами виявлення та відстеження, що самі були на передньому краї технологій оборонної електроніки.
The development of rockets during this time was frenetic, given the significance of the perceived threat. From 1946 to 1962 American rocketry advanced from captured V2s to the Minuteman I. The V2 was a single-stage liquid-propellant rocket, as we have seen, that flew to an altitude of 80 km at a speed of Mach 4.5 with a maximum range of 320 km. The Minuteman I was a three-stage solid-propellant rocket (different propellants optimized for each stage) that flew to an altitude of 1,100 km at a speed of Mach 23 with a maximum range of about 13,000 km. The V2 carried a 1-ton HE (high explosive) warhead whereas Minuteman I carried a 1.2-megaton thermonuclear warhead. The Soviets were initially ahead of America in rocket development; the first ICBM test vehicle was a Soviet R-7 (designed by Korolev) launched in 1957 (see Fig. 2.7).
Розробляння ракет протягом цього часу було шалене, враховуючи значущість передбачуваної загрози. З 1946 по 1962 рік американська ракетна техніка просунулася від захоплених V2 до «Мінітмен І» (Minuteman I). V2 була одноступенева рідиннопаливна ракета, що, як ми бачили, досягала висоти 80 км зі швидкістю 4,5 Маха, з максимальною дальністю 320 км. «Мінітмен I» була триступенева твердопаливна ракета (різне паливо, оптимізоване для кожного ступеня), яка летіла на висоту 1100 км зі швидкістю 23 Маха, з максимальною дальністю близько 13 000 км. V2 мала 1-тонну фугасну боєголовку, тоді як «Мінітмен I» – термоядерну боєголовку потужністю 1,2 мегатони. Спочатку Совєтський Союз випереджав Америку в розроблянні ракет; першою випробувальною МБР стала совєтська Р-7 (конструкція Корольова), запущена 1957 р. (див. рис. 2.7).
Рис. 2.7. Варіанти совєтської реактивної устави Р-7 «Семерка» («7»). Адаптовано із зображення НАСА.
Ракети ставали дедалі універсальнішими, а також більшими та потужнішими. Їх можна було запускати з підземних шахт, з переносних пускових майданчиків на землі, з літаків або з підводних човнів. Їхні ролі стали спеціалізованішими: від ракет на полі бою до МБР, націлювання на міста, танки чи інші ракети. У 1970 році була розгорнута перша MIRV: американська «Мінітмен III». MIRV розшифровується як Multiple Independently-Targetable Reentry Vehicle (букв. множинна незалежно навідна боєголовка або совєт. роздільна головна частина з блоками індивідуального наведення), і це означає, що одна ракета може нести кілька ядерних боєголовок, які після випускання можуть рухатися незалежно від основної ракети до різних цілей. Так, світ був (є) небезпечним місцем.
Нитка розсудливості пройшла через період холодної війни. 1963 року Договір про обмежену заборону ядерних випробувань значно зменшив кількість проведених випробувань ядерної зброї. Ратифікація Договору про обмеження системи протиракетної оборони між Сполученими Штатами та Совєтським Союзом/Росією, який діяв з 1972 по 2002 рік, обмежила кількість і структуру систем ПРО для двох наддержав. Переговори про обмеження стратегічних озброєнь тривали протягом десятиліть із цього періоду, спрямовані на скорочення кількості балістичних ракет, з деяким обмеженим успіхом30.
Космічна гонитва
Перша МБР була випробувана в серпні 1957 року із запуском совєтської ракети Р-7. Ця ж ракета запустила в космос перший супутник («Спутник-1») через два місяці. Ця подія ознаменувала початок змагання між наддержавами за підкорення космосу. Фінішною прямою гонитви була відома промова президента Кенеді «Ми вибираємо шлях до Місяця» у вересні 1962 року.
Here is a year-by-year summary of the firsts achieved during the Space Race (distinguished by font style: Americans and Soviets ):
Ось щорічний підсумок перших досягнень під час космічних перегонів (відрізняються за стилем шрифту: американці та совєти):
1957. Перший штучний супутник («Спутник-1»).
1958. Перший супутник зв’язку («Говорющий Атлас» (“the talking Atlas”), названий на честь ракети, яка його запустила).
1959. Перша геліоцентрична орбіта (навколо Сонця) і виявлення сонцевого вітру («Луна-1»); перші фотографії невидного боку Місяця («Луна-2», «Луна-3») і Землі з орбіти («Explorer-6»).
1960. Перший успішний супутник-шпигун США (GRAB-1); перші ссавці повернулися живими з космосу (на борту «Спутника-5»); перше застосування супутника («Tiros-1»), для спостереження за погодою.
1961. Перші корекції на середині курсу в космосі, перша крутильна стабілізація та перший проліт повз іншу планету («Венера-1»); перший політ людини в космос (Юрій Ґаґарін на борту «Восток-1»); перший пілотований космічний політ (Алан Шепард на борту «Freedom-7»).
1962. Перший активний супутник зв'язку («Telstar»); перші дані, що повернулися з іншої планети («Венера», з «Mariner-2»).
1963. Перша жінка та цивільна особа в космосі (Валентина Терешкова на борту «Восток-6»); перша супутникова навігаційна система (NAVSAT).
1964. Перша геостаціонарна супутникова орбіта («Syncom-3»).
1965. Перший вихід у відкритий космос (Алексєй Леонов, з «Восход-2»); перший проліт Марса («Mariner-4»).
1966. Перша м'яка посадка на інше небесне тіло («Луна-9», на Місяць) і перші фотографії з Місяця; перше стикування космічного корабля («Gemini-8»).
1967. Перша дистанційно кероване стикування в космосі («Космос-186» і «Космос-188»).
1968. Перші люди, які вирвалися з земної гравітації та облетіли навколо Місяця (Френк Бормен, Джеймз Ловел і Вільям Андерз ((Frank Borman, James Lovell, William Anders) на борту «Apollo-8»).
1969. Перша людина на Місяці (Ніл Армстронг, зійшов з місячного модуля «Eagle» з «Apollo -11»).
Кілька пояснювальних і додаткових приміток, щоб додати трохи м’яса до кісток (багато книжок написано щодо цих пунктів31). Далі ми розповімо про тварин, яких відправили в космос. Після передстартового відліку Корольовим до початку свого історичного рейсу Ґаґарін вигукнув «Поєхалі!», коли стартувала ракета. Космічна капсула Шепарда була запущена ракетою «Мерк’юрі Редстоун-3» (Mercury-Redstone-3) приблизно через три тижні. Активний супутник зв'язку – фактично орбітальний транспондер. Терешкова була інженером; до її польоту всі астронавти і космонавти були військовими пілотами-випробовувачами. Під «вирватися з земної гравітації» ми маємо на увазі більший вплив гравітації Місяця, ніж Землі, перебування на місячній орбіті – гравітація Землі технічно поширюється до нескінченності. Ми обговоримо фізику орбіт разом із фізикою ракет у розд. 3.
Щоб потрапити в космос, потрібні були більші ракети, ніж МБР; щоб потрапити на Місяць, потрібні були більші ракети, ніж щоб потрапити в космос; щоб доставити людей на поверхню Місяця, потрібні були більші та важчі космічні модулі, а отже навіть більші ракети-носії. Результатом з американського боку космічної гонитви став могутній «Сатурн V», найбільша важка ракета, яка коли-небудь використовувалася (див. рис. 2.8а). Розроблена фон Брауном та його командою, ця 3-ступенева рідиннопаливна ракета розвинула в 100 разів тягу більшу, ніж у ракети «Редстоун», яка вивела Шепарда в космос. Величезний, 363 фути (110 м) заввишки, маса «Сатурна V» при злеті становила майже 3000 тон, понад дві третини якої було паливом, що згоряло протягом трьох з лишком хвилин. Ця ракета для польоту на Місяць була робочою конячкою програми «Аполон», яка використовувалася для всіх шести висадок на Місяць у період з 1967 по 1972 рік. Після «Аполона» вона використовувалася для запуску «Сайклабу», а в 1973 році була знята з експлуатації.
Рис. 2.8. День, коли завершилися космічна гонитва. (a) «Аполон-11» запущено на ракеті «Сатурн V», 16 липня 1969 року. Зображення НАСА. (b) Кількома днями раніше, під час другого випробування совєтської ракети для польоту на Місяць Н-1, стався катастрофічний вибух, коли вона злітала. Початкова стадія цього вибуху показана тут, коли автоматично запущені евакуаційні ракети/ракети аварійного порятунку (escape rockets) відводять (безпілотний) корисний вантаж від небезпеки. Зображення РКК «Енергія».
Совєтським еквівалентом була ракета з позначенням Н-1. Цей неспокійний звір також був 3-ступеневим гігантом. Після довгої боротьби 1964 року Корольов отримав совєтське завдання стосовно висадки на Місяць і почав розробляти Н-1. Розроблення було пришвидшене, недостатньо фінансоване та зірване через ранню смерть Корольова в 1966 році. Було чотири невдалі запуски і зокрема величезний вибух (мал. 2.8b) – один із найбільших техногенних вибухів, за винятком випробувань ядерної бомби – за кілька днів до успішного запуску «Аполона-11» на іншому кінці світу. Н-1 скасували в 1976 році. Решта світу (крім ЦРУ) не дізналася про ці проблеми до 1989 року, напередодні розпаду Совєтського Союзу. Совєти програли космічну гонитву та втратили будь-які надії висадитися на Місяці через фіаско Н-1. Можливо, значною мірою тому, що їхнє проєктування та розробляння космічних систем поширювалося на низку конкурентних державних конструкторських бюро (таких як «Енергія», «МіГ», «Сухой» і «Туполєв»), що різко контрастує з американською програмою висадки на Місяць, яку розробляла переважно НАСА. Саме НАСА була створена в 1958 році як реакція на те, що Совєтський Союз вивів супутник на орбіту, і її бюджет збільшився майже на 500 % протягом трьох років після заклику президента Кенеді відправити американця на Місяць до кінця 1960-х років.
Вибух Н-1 і невдалий запуск були далеко не єдині невдачі під час космічної гонитви. Як ви можете бачити на рис. 2.9a, частота аварій ракет, що прямували в космос, була висока протягом перших років космічної гонитви і відтоді зменшилася. Проте протягом останніх п’ятдесяти років вони вперто залишаються вище від однієї на двадцять. Для астронавтів і космонавтів аварії в космосі або на стартовій платформі часто були смертельні. Кількість загиблих під час космічної гонитви, а також до і після неї перевищує 300 осіб. Це число не враховує всі смертельні випадки від ракет часів війни; іншими словами, це стосується випадкових смертей, а не умисних. Ми говоримо «перевищує», бо більшість цих смертей була за залізною завісою, де цензура обмежила те, що ми знаємо. Отже, у Китаї було щонайменше 106 смертей, здебільшого внаслідок однієї аварії в 1996 році, коли ракета «Великий похід» відхилилася від курсу та вдарила по селу. Совєтський Союз/Росія втратили 154 або 155 людей, про яких ми знаємо, переважно наземний персонал, який загинув у двох важких аваріях (Нєдєлінська катастрофа 1960 року, названа на честь видатної жертви, та катастрофа на космодромі Плесецьк 1980 року). Про багатьох совєтських загиблих ми дізналися лише 1989 року, через багато часу після цих подій. Серед них шість космонавтів, які загинули в космосі або під час транзиту в/з космосу чи на землі. Американські смертельні випадки набагато публічніші: загальна кількість становить 21 (наземний персонал) плюс 23 (астронавти), зокрема сім під час катастрофи «Челенджера» в 1986 році і шість (плюс один ізраїльтянин) під час катастрофи «Колумбії» в 2003 році. Решта світу втратила близько 50 працівників ракетного персоналу після 1930 року; з них найбільші втрати сталися, коли 21 людина загинула внаслідок вибуху на пусковій платформі в Бразилії 2003 року.
Рис. 2.9. Потрапляння в космос з часом. (a) Загальна кількість запусків ракет на орбіту Землі або далі, з 1957 по 2018 рік. Також показано відсоток аварій (ракети, які вибухнули або з якихось інших причин не виконали своєї місії) у відсотках від загальної кількості. Спочатку високий рівень з 1970 року аварій становив приблизно 6 %. (b) Орбітальні запуски на країну, з 1997 по 2018 рік. ROW = решта світу, тобто всі країни, крім США, Росії та Китаю (переважно європейські країни, Японія та Індія). За останні двадцять років кількість запусків зросла, здебільшого завдяки приватним корпораціям, а також тому, що все більше країн цікавляться космосом.
ДНК в космосі
Як ми бачили, ракетна наука – серйозна справа, що спричинила смерть тисяч людей у воєнний час та сотень – у мирний. До того як люди потрапили в космос, туди відправили багато тварин, перевірити воду, якщо можна так сказати. За словами НАСА: «Без випробувань на тваринах на початку розвитку космічної програми з людьми совєтська та американська програми зазнали б великих людських втрат»32. Отже, мотивація відправити тварин вгору була досить серйозна – перевірити вплив мікрогравітації, радіації, високих G, а також перевірити, чи справді працюють системи космічних кораблів, призначені для підтримки життя. Але жоден із ваших авторів не може читати про відправлених у космос жаб-биків без посмішки, і тому, саме щодо цієї частини, ми химерно повідомимо нашу тему.
Історія тварин у космосі – це не лише історія американських мавп і совєтських собак, хоча вони ключова її частина. Першою формою земного життя в космосі – ми приймаємо означення космосу як будь-яке місце, що віддалене щонайменше на 100 км від поверхні нашої планети – були плодові мушки. Ці комахи досягли висоти 108 км 20 лютого 1947 року на борту американської ракети V2, захопленої в німців наприкінці Другої світової війни. Вони повернулися на Землю (плодові мушки, а не німці) і були виявлені живими. Їхня місія полягала в тому, щоб перевірити вплив радіації на великій висоті. Другим видом у космосі була мавпа-резус, у вигляді Альберта II, також американського. Йому не так пощастило: він досяг 134 км висоти і повернувся аж на поверхню, але несправність парашута зіпсувала йому святкування.
Несправність парашута також перервала кар’єру американської першої космічної миші, яка в серпні 1950 року досягла висоти 137 км. За рік Совєтський Союз перейшов до собак, уникаючи комах і гризунів, відправивши в космос першу з п’ятдесяти бродячих із московських вулиць. Совєти віддавали перевагу собакам, бо вони добре справлялися з тривалими періодами бездіяльності, бездомним, бо вважалося, що вони краще пристосовані до суворих умов, і сукам через, як делікатно сформулювало це НАСА, «відносну легкість контролю над відходами». Так Совєтський Союз виграв гонитву за відправлення першої собаки в космос. Два собачі космонавти Циган і Дезик піднялися 22 липня 1951 року і вижили після спуску. Насправді більшість космічних собак вижила, деякі після кількох перебувань у космосі, і деякі прожили довге життя після цього, прийняті інженерами та техніками. Ті, що не вижили і справді були відправлені в подорож в один бік без плану (або засобів) повернення, стали найвідомішими Західному світові. Лайка («гавкуча», хоча хто міг її почути в космосі?) була першою землянкою, виведеною на орбіту на борту «Спутник-2» 3 листопада 1957 року. Вона померла через кілька годин у космосі від стресу та перегріву, хоча причина не була оприлюднена протягом 45 років. У другому польоті через кілька місяців після першого помер і Дезик; за даними НАСА, Корольов був пригнічений.
Через три з половиною роки після Лайки совєти успішно відправили в космос малу людину на ім’я Юрій (він був малий, тому що модуль «Восток-1» був малий). 12 квітня 1961 року Ґаґарін зробив один оберт навколо Землі менш ніж за дві години. Тим часом Сполучені Штати вперто продовжували з іншими приматами. У грудні 1958 року біляча мавпа Ґордо піднялася, але не спустилася – знову ж таки, виною була несправність парашута. Щасливіше повелося через п’ять місяців білячій мавпі Бейкер, яка піднялася на висоту 579 км на борту «IRBM Jupiter». Вона та її космічна товаришка мавпа Ейбл пережили зворотний політ. Ейбл померла через чотири дні під час операції з видалення електрода, а Бейкер прожила до 1984 року.
Російські кролики і щури, а також собаки, плюс американські миші Салі, Емі та Мо відбули успішні космічні польоти перед двома зірково-смугастими гомінідами, шимпанзе Гемом 13 січня 1961 року та людиною Аланом 5 травня 1961 року. Через десять років Шепард ходитиме по Місяцю. Франція стала першою країною, яка доставила в космос кішку, відправивши туди Фелісет 18 жовтня 1963 року (див. рис. 2.10).
Рис. 2.10. Космічні домашні тварини. (а) Стрєлка була відправлена в космос на борту «Спутник-5» у серпні 1960 року і вижила. Пізніше совєтський лідер Нікіта Хрущов подарував Джону Кенеді одного з її цуценят. Зображення надано Teknoraver. (b) Фелісет, французька кішка – паризька бездомна, також пережила космічний політ (жовтень 1963 р.). Напис: «Дякую за участь у моєму успіху 18 жовтня 1963 року».
Після перших висадок на Місяць (Ніла і База, людей, 20 липня 1969 р.) світове зацікавлення астронавтами і космонавтами, не-людьми, згасло, хоча в космос відправлено ще багато кого, особливо після того, як почали працювати космічні станції «Мир» і «Скайлаб». Були оси, жуки, яйця жаб, амеби, черепахи (перші істоти в глибокому космосі, що подорожували навколо Місяця; суто поетично, краще була б корова), жаби, нематоди, риба муміхог і два садові павуки Арабела та Аніта, що плели павутину протягом 59 днів на борту «Скайлабу». Були риба даніо реріо, яйця паличників, тритони, креветки, перепелині яйця, цвіркуни, равлики, коропи, риба медака, морські їжаки, риба меченосець, медузи, шовкопряди, бджоли-теслі, мурахи-жнеці та таргани. Останніх повернулося більше, ніж відправлено (у вересні 2007 року), і тому ми робимо висновок, що таргани – перша форма життя на Землі, яка народжує дитинчат, зачатих у космосі.
На момент написання статті близько 550 людей із 38 країн були в космосі33; з них 61 жінка. Дванадцять людей ходили по Місяцю.
Друга промислова революція відбулася протягом пів століття приблизно з 1870 року на Британських островах (батьківщині Першої промислової революції), у Західній Європі, Сполучених Штатах та Японії. Протягом цього важливого періоду технології та засоби масового виробництва промислових товарів розповсюдилися з Великої Британії та поширилися експоненційно. Мало того, що нові технології з’являлися у світі з постійно зростними темпами, але й продукція, що випускалася за старими технологіями, вироблялася ефективніше, надійніше та дешевше. Саме в цей період фабрикати стали доступними для простих людей. Дійсно, ідея фабрик у сучасному розумінні (з виробничими лініями та живленням від електрики) виникла під час Другої промислової революції.
Дві з нових галузей, які виникли, були точне машинобудування та хемічна промисловість. Серед багатьох інших речей, вони привели до підвищення ефективності вогнепальної та артилерійської зброї завдяки кращому виробництву (покращені конструкції та допуски, покращення якості сталі) та ліпшого палива (бездимні порохи). Ця технологія привела до створення набагато кращих пістолетів і гвинтівок у третій чверті дев’ятнадцятого століття, а також до вдосконалення артилерії в останній чверті та безпосередньо вплинула на історію, змінивши війну. Тоді як втрати під час громадянської війни в Америці були значною мірою наслідком куль, жертви Першої світової війни значною мірою були спричинені артилерійськими набоями, бо в них відбувався швидкий прогрес протягом десятиліть між цими двома конфліктами. Нищівна ефективність нової артилерії привела до падіння значення ракетної зброї в період Другої промислової революції.
Ракети залишалися в центрі уваги, коли дев’ятнадцяте століття наближалося до кінця, не через їхнє військове значення, а тому, що вони були єдиними машинами, які могли вивести людей у космос. Наукова фантастика ставала популярною і надихала таких теоретиків і мрійників, як Ціолковський і Оберт досліджувати фізику освоєння космосу – як людство насправді може відправити людей на Місяць чи Марс. Не тільки, але особливо, Жуль Верн («Із Землі на Місяць», 1865) і Герберт Велз («Перші люди на Місяці», 1901) писали про ідеї, які запалювали уми хлопчаків і юнаків, як теоретиків, так і практичних реалізаторів — інженерів – від Роберта Ґодарда до Вернера фон Брауна. Щоб пояснити еволюцію освоєння космосу на початку двадцятого століття, є спокуса провести пряму лінію, яка веде нас по шляху від наукової фантастики (ми могли б досліджувати космос, якби...) до фізики (так це працює...), до інженерії (так ми це зробимо...), але, звісно, як і вся історія, реальність не така проста. Наша пряма лінія підсумовує тенденцію, але обходить важливі історичні впливи. Тож, наприклад, вона наводить на думку, якщо розглядати терміни розвитку ракетної техніки (початок ХХ століття), але не говорить про те, чому основні центри розвитку були в Німеччині та Совєтському Союзі26.
Що стосується термінів, то зазначимо, що за кілька років у всьому світі виникла низка аматорських товариств і професійних установ, які пропагували та рекламували ідею створення ракет, щоб виводити людей у космос та інші світи. Особливо зверніть увагу на дати заснування таких установ:
• Червень 1927: «Товариство космічних подорожей» (Verein für Raumschiffahrt (скорочено VfR) заснував у Німеччині інженер, фізик і науковий письменник для розробляння ракет. Його членами були Оберт і фон Браун.
• Квітень 1930: Американське міжпланетне товариство (American Interplanetary Society) (пізніше Американське ракетне товариство (American Rocket Society)), заснували письменники-фантасти, щоб заохочувати та сприяти розробленню ракет для освоєння космосу.
• Вересень 1931: Група вивчення реактивного руху (скорочено ГВРР), перша в світі велика професійна ракетна програма, була совєтським дослідницьким бюро. Видатними членами були Корольов і Цандер.
• Січень 1933 року: Британське міжпланетне товариство (British Interplanetary Society) – некомерційна організація, яку заснували ентузіасти космосу, щоб обстоювати розвиток ракетної техніки та дослідження космосу. Артур С. Кларк був одним із перших членів.
Між війнами були економічний хаос, політичні репресії та мрії про кращий світ подалі від Землі. Як ви, можливо, зрозуміли з їх описів, ці «ракетні клуби» були не просто говорильнями; вони підтримували, заохочували та проводили експерименти з ракетами, щоб покращити робочі параметри шляхом застосування нових технологій – кращого проєкту, кращого керування, кращого палива.
А що з ракетним паливом? Ми детально розглянемо розроблення та характеристики ракетного палива, коли перейдемо до розділу 5; тут лише потрібно знати, що вони бувають двох видів: тверді та рідинні. Коротше кажучи, твердопаливні ракети менш складні та дорогі, ніж рідиннопаливні, але рідинне паливо може мати вищу густину енергії і тому вони підхожіші кандидати для ракет великої дальності (понад кілька миль). Крім того, швидкість горіння рідинного палива контролювати можна легше і повніше, ніж твердого палива.
А як щодо ракетних клубів? Спочатку (скажімо, перша чверть ХХ століття) аматорські та невеликі, у багатьох країнах вони разом із ракетами, що їх виробляли, виросли в більші національні організації, часто під військовим контролем. Як ми побачимо далі, з настанням Другої світової війни вони зосередилися на ракетних дослідженнях за військовими напрямами. Розробляння до Другої світової війни характеризувалися підвищенням продуктивності та витонченості проти дуже скромних початків. Короткий заголовок цього періоду може бути такий: «Ґодард, ГВРР і VfR». Американський піонер започаткував сучасну ракетну техніку великої дальності, приєднавши надзвукове сопло (де Лаваля) до камери згоряння одного зі своїх рідиннопаливних ракетних двигунів, так значно підвищивши тягу двигуна та його ефективність (докладніше про важливість сопел у розділі 4). Його попередні зусилля принесли скромні результати і висміяні «Нью-Йорк таймз» (у статті, опублікованій 13 січня 1920 року, відкликаній у 1969 році після успішної посадки «Аполона-11» на Місяць). Дослідження Ґодарда, певно, були широко недооцінені в Сполучених Штатах, але не в інших місцях. Ідея космічного польоту розпалила російську уяву в цей період. Тож совєтська преса припускала, що Ґодард планував запустити ракету на Місяць 4 липня 1924 року; лекція про цю шалену фантазію привела до втручання кінної міліції за межами московської лекційної зали для підтримки порядку, таким був ентузіазм громадськості. Починаючи з 1933 року совєтські зусилля, скеровувані ГВРР, привели до ряду ракет дедалі більшої потужності, хоча їх прогрес був загальмований у 1938 році, коли її лідера, Валентина Глушка, заарештували в рамках сталінської чистки.
Прогрес Товариства космічних подорожей (VfR) у Німеччині був разючий і короткий, як скайрокет, що вибухає в повітрі. Воно налічувало понад 500 членів у свій апогей і експериментувало з ракетами, прикріпленими до автомобілів, літаків, потягів, снігових саней – усього, що рухалося – а також з вільнолітними ракетами (free-flying rockets). Дуже багатонадійний інженер-ракетник на ім’я Райнгольд Тілінг загинув від вибуху ракетного палива в 1933 році, але його смерть ледь зашкодила прогресові Німеччини в цей період. Фінансування було мізерне, і VfR звернувся до німецької армії по гроші та випробувальні засоби. Розвиток німецької аматорської ракетної техніки припинився в 1932 році, але дослідження швидко продовжилися під військовим контролем. Міра прогресу в 1930-х роках – збільшення висоти, досягнутої ракетами: німецька пробна ракета в 1931 році піднялася на висоту 500 м; пізніше того ж року одна з ракет Тілінга піднялася на висоту 2 км. Совєтська ракета досягла 4,8 км у 1933 р., а інша – 5,6 км у 1936 р. Німецька ракета А5 досягла 12 км у 1938 р. Потім почалася війна27.
Друга світова війна
Давши поштовх до технологічного розвитку ракетної техніки, Друга світова війна ознаменувала зростання використання та можливостей малих твердопаливних ракет малої дальності та, що ще важливіше, великих рідиннопаливних балістичних ракет великої дальності. Сімейство малих ракет поділяється на дві групи: загороджувальна зброя і прямонавідні ракети (direct-fire rockets). Найвідоміший із загороджувальних засобів Другої світової війни – совєтська «Катюша». Тисячі ракет «Катюша» запущено з кузовів вантажівок безпосередньо перед штурмом німецьких військ (які їх дуже боялися – вони називали ці ракети сталінським органом і через шум, який вони створювали, і через візуальну схожість пускової устави з церковним органом). Вони були вкрай неточні, але для загороджувальної зброї це не має значення; якщо ви націлюєтеся на квадратну милю окупованої ворогом території, то кількість має значення набагато більше, ніж точність. Американці також використовували загороджувальні ракети, які запускали з десантних кораблів-амфібій і кораблів перед висадкою на вороже узбережжя, наприклад острів у Тихому океані, який контролювала Японія. У Другій світовій війні з’явилося багато прямонавідної ракетної зброї, наприклад РПГ (rocket propelled grenades – реактивні гранати/реактивні протитанкові гранатомети), як-от американська базука та німецький панцершрек (panzerschreck)) і ракети «повітря-земля» (наприклад, британська RP-3). З цією зброєю ми знову зіткнемося в розд. 3, і тому доти відкладемо їх подальше обговорення.
Важливішим для нас, бо він прямішим чином пов’язаний з основним розвитком ракетної техніки, був прогрес, досягнутий протиборчими сторонами Другої світової війни в галузі ракет великої дальності. Найважливішою ініціативою, безумовно, була німецька програма «Агрегат» (Aggregat) як з боку впливу, справленого під час війни, так і впливу на розробляння післявоєнних ракет союзників-переможців. Першою в серії була ракета А1, яку розробив 1933 року фон Браун (на той час працював на військовиків під керівництвом Вальтера Дорнберґера на базі в Кумерсдорфі, на південь від Берліну). Двигун працював на спирті та рідкому кисню і був успішно випробуваний, але повністю зібрана A1 вибухнула на пусковій платформі. Нарік успішно запущено дві ракети А2; із 72 кг вони мали половину ваги своєї попередниці, але на відміну від A1 були забезпечені гіроскопічною стабілізацією. Ракета А3, випробувана 1936 року, мала майже в п'ять разів більшу тягу, ніж А2. Запущено кілька A3, але в них передчасно вийшли з ладу двигуни.
Зауважимо, що ми ще в довоєнному періоді. Одна з причин великого прогресу фон Брауна та його великої команди (крім щедрого фінансування та підтримки з боку армії) – безперервність їхньої програми. Несправності можна було досліджувати та виправляти, щоб наступна ракета серії ставала кращою. А5 була зменшеною тестовою моделлю А4 і передувала їй. Це та ракета, яка досягла висоти 12 км у 1938 році. Після приблизно 70 випробувальних запусків у 1941 році А5 вважалася надійною. Далі з’явилася A4, відоміша у світі як V2 (Фау-2).
З 1942 року і до кінця війни дуже багато цивільних Німеччини постраждали від наслідків важких бомбардувань союзників (американців і британців); багато вбито, набагато більше залишилося без даху над головою, а більшість німецьких міст перетворилася на руїни. Щоб помститися, нацисти організували масове виробництво та розгортання Vergeltungswaffen (зброї помсти, або зброї відплати). До середини 1944 року, коли вперше були використані V1 і V2, німецькі військово-повітряні сили здебільшого припинили своє існування, тому про бомбардування у відповідь не могло бути й мови. Першою такою зброєю помсти була V1, відома у Великій Британії – її головній цілі – як buzz bomb або doodlebug. Ця зброя була ранньою крилатою ракетою і складалася з бензинового пульсівного повітрореактивного двигуна, компактного планера і 850 кг (1870 фунтів) вибухівки. Запущена з континентальної Європи, вона могла досягти південної Англії. Близько 7500 запущено в загальному напрямі на Лондон; ця зброя була не керована, а скоріше наведена в потрібному напрямі і з певною кількістю палива. Коли паливо закінчувалося, ракета падала. Десь половина завдала удару, вибухнула і вбила близько 6100 мирних жителів. Інша половина була перехоплена по дорозі й знищена; швидкість польоту 390 миль на годину була досить повільна, щоб їх перехоплював швидкий винищувач або збивав зенітний вогонь.
Друга зброя помсти, V2, була невразлива до перехоплення. Її максимальна швидкість, 3580 миль на годину, надзвукова, що означало, що її не тільки неможливо було перехопити в польоті, але й не було чутно, як вона наближається. Вперше люди на землі дізнавалися про V2, коли вона вибухала. Близько 1100 одиниць цієї зброї (яка складалася з ракети А4 з 1-тонною боєголовкою) запущено по Лондону з вересня 1944 року по квітень 1945 року. Вони вбили близько 2800 людей і поранили 650028. Ракету швидко запускали з мобільної пускової устави (фіксовані місця запуску були б уразливі до повітряного нападу союзників). Після злету вона піднімалася вертикально, а потім під кутом приблизно 45 градусів у напрямі до цілі на висоту близько 80 км (50 миль – край космосу). Через 70 секунд у неї закінчувалося паливо, і вона була керована за допомогою гіроскопічної інерційної навігаційної системи, летячи балістичною траєкторією до своєї цілі. Коли нацистська Німеччина скоротилася наприкінці 1944 року, V2 також були спрямовані на порт Антверпену, який був важливим перевантажним пунктом для військ союзників, які розгорталися на лінії фронту.
Виробництво ракет V2 на секретному підземному об’єкті в центральній Німеччині залишалося високим аж до кінця війни — близько 900 на місяць, разюча кількість, враховуючи їх високу вартість як грошову, так і ресурсну29. Як зброя, V2 була неефективна. Вона коштувала набагато дорожче, ніж V1, і вбила лише на третину менше людей. Її важливість (як третьої за значущістю технологічної розробки Другої світової війни після атомної бомби та радара) полягає в тому, що це була перша балістична ракета великої дальності, яка проклала шлях, як ми зараз побачимо, безпосередньо для розробляння балістичних ракет і космічних ракет часів холодної війни (рис. 2.6).
Рис. 2.6. V2 у війні і мирі. (a) Випробний запуск V2 влітку 1943 року з Пенемюндcького об’єкта. Зображення з Бундесархіву, Bild 141-1880/CC-BY-SA 3.0. (b) Перша фотографія Землі, зроблена з космосу, з камери на борту американської ракети V2, 1946. Знімок армії США.
Холодна війна – Золотий вік ракет
Не повинно бути такою несподіванкою, що період після Другої світової війни привів до більшого прогресу в ракетній техніці, ніж сама війна. Успіхи ракетної техніки воєнного часу були суто військовими, тоді як відносний спокій холодної війни дав змогу досягти успіху в інших сферах, зокрема в ракетах для запуску корисного вантажу в космос.
Американські німці, совєтські німці
Тоді як Друга світова війна наближалася до свого кровопролитного апогею — катастрофічного краху нацистської Німеччини, коли американські та британські сили наближалися із заходу, а совєтські – зі сходу, – переможці передчували найближчий післявоєнний світ. Зрозуміло, що між демократичним Заходом і комуністичним Сходом буде якесь протистояння; справді, нацистська влада сподівалася ближче до кінця, що вони зможуть здатися американцям та англійцям, а потім негайно укласти з ними союз, щоб відбити більшовицькі орди, що вдерлися в їхню батьківщину. Багато совєтських солдатів по-варварському поводилися з німецькими цивільними та німецькими військовополоненими (хоча, треба сказати, не так по-варварському, як німці ставилися до совєтських і польських цивільних і військовополонених). Західні союзники відкинули пропозицію сепаратного миру з нацистською Німеччиною, тому совєти оточили Берлін і розтрощили його. Під час цього останнього катастрофічного місяця війни багато німецьких солдатів і цивільних осіб побачили напис на стіні і вважали за краще, щоб їх захопили американці чи британці, аніж потрапити до рук росіян, що наступали. Серед них були науковці-ракетники та техніки з Пенемюнде.
Совєти захопили німецьке ракетне устатковання та розібрали його, відправивши на схід багато ракет, частин ракет і ракетних інженерів. Американці також захопили ракети V2 і, що важливіше, фон Брауна та багатьох ключових спеціалістів з ракет. Ретельно добираючи щойно завойованих німців у зоні окупації післявоєнної Німеччини, 22 жовтня 1946 року совєти завербували (під дулом зброї) 2200 німецьких ракетних спеціалістів у рамках однієї швидкої операції («Осоавіахім»). Їх відправили на схід (з їхніми найближчими родичами; загалом понад 6600 осіб) для розробляння совєтських ракет. Американці дібрали понад 1800 ключових німецьких спеціалістів, зокрема фон Брауна та його команду, і помістили під «тимчасову обмежену військову варту», за словами одного з історичних вебсайтів НАСА. Їх (і 3700 членів їхніх сімей) відправили до Сполучених Штатів для розробляння американських ракет. (Ось як майбутня космічна гонитва стала певною мірою конкуренцією між конкурентними німецькими фахівцями, як ми згадували в першому розділі.) Фон Браун скористався суперечливими наказами та хаотичною ситуацією в кінці війни, щоб рухатися самому і з найближчою командою на південний захід до частини Німеччини, що дало змогу їм здатися американцям, а не росіянам.
Це захоплення німецьких ракетних інженерів як Совєтським Союзом, так і американцями визначило більшу частину технічного характеру холодної війни, що розгорталася. Нацистська ракетна програма не закінчилася з ракетою А4 – багато інших, досконаліших проєктів були в розробленні або на креслярській дошці. Ці новітні проєкти (до А12) передбачали балістичні ракети середньої дальності та ракети для запуску в космос. Додаткові нацистські ракетні програми охоплювали ЗКР (зенітні керовані ракети/ракети «земля-повітря») для боротьби з важкими бомбардуваннями союзників, ракети «повітря-земля» та «повітря-повітря» та літаки-перехоплювачі з ракетним двигуном.
Ракета A4/V2 перетворилася безпосередньо в американську ракетну програму «Редстоун» (Redstone) 1950-х років. Вона також еволюціонувала безпосередньо в совєтські ракети Р-1, Р-2 і Р-5, відомі на Заході як SS-1 «Scunner», SS-2 «Sibling» і SS-3 «Shyster». На початку 1950-х років совєти вирішили піти окремим шляхом розробляння ракет і відправили додому (до Східної Німеччини) своїх полонених німецьких спеціалістів. Навпаки, багато німецьких фахівців із ракетобудування, вивезених до Сполучених Штатів, залишилися. стали американськими громадянами і продовжили розробляти ракети як військових, так і невійськових (читай НАСА). Отже, тоді як ракети холодної війни обох протагоністів перебували під значним впливом нацистської ракетної програми та персоналу, в космічну гонитву лише американська сторона вступила зі «своїми» німцями – совєти розробили свою космічну програму незалежно.
Від V2 до MIRV
Ось рецепт людського лиха: візьміть дві повоєнні наддержави, США і СССР, додайте п’янку суміш нових технологій у вигляді атомної зброї та ракет, змішайте разом і додайте трохи часу. Ця потужне поєднання не привело (ще не привело) до катастрофи, як ми тепер знаємо заднім числом з відстані сімдесяти років, але ми підійшли близько до неї – результатом стала не гаряча, а холодна війна. Наша книжка не критика людських недоліків і не геополітична халтура, але нам справді потрібно узагальнити певні аспекти цього періоду, хоча б побіжно, бо він був такий важливий для розвитку ракетної техніки.
Від кінця Другої світової війни не знадобилося багато часу, щоб ставлення поляризувалося, щоб кожна наддержава подивилася на іншу через залізну завісу. Холодна війна почалася вже 1949 року, коли совєти випробували атомну бомбу. Вони відчували сильну потребу розробити її, щоб забезпечити собі певний паритет зі США, які до того часу були єдиною країною, що володіла технологією атомної зброї. Як ми бачили, паралельна технологічна гонитва відбулася в ракетобудуванні, керованому захопленими німцями. Двоє перегонів стали єдиними: атомні бомби були мініатюризовані, щоб їх можна було переносити як боєголовки на борту ракет; ракети ставали все більшими, щоб переносити свої атомні корисні навантаження все далі й далі. Кубинська ракетна (Карибська) криза 1962 року виникла через обмежену дальність дії балістичних ракет. Тоді ракети могли нести ядерні боєголовки на кілька сотень миль, але не на тисячі. Тож США розмістили деякі зі своїх ракет в Італії та Туреччині, щоб у разі потреби вони могли вражати цілі за залізною завісою; Совєти хотіли відповісти «око за око» розгортанням балістичних ракет на Кубі – звідси й криза. Протягом року-двох таке розгортання за кордоном стане зайвим, тому що на той час ракети досягли рівня, коли вони могли переносити ядерні боєголовки між континентами.
Світ був дуже небезпечним місцем у 1960-х роках. Технологія зброї просунулася до того етапу, коли ядерні бомби можна було доставляти з одного континенту на інший ракетами. Тоді вважалося, що проти такої атаки невеликий захист, за винятком думки про ВГЗ (MAD), що цього не станеться – майже впевненість у взаємному гарантованому знищенні (Mutually Assured Destruction) завадить будь-якому розумному урядові ініціювати ядерний удар.
Два фільми шістдесятих років висвітлюють глибоке занепокоєння Західного світу тодішньою геополітикою: «Безвідмовний» (Failsafe) і «Доктор Стрейнджлав» (Dr Strangelove). Обидва були засновані на ідеї, що через людську помилку чи помильність може статися ядерна війна.
У цей період ракети перемістилися на передову позицію і в центр суспільного інтересу до технологій. Ядерна загроза була така небезпечна не тільки тому, що ця зброя така потужна, а й тому, що її доставляли ракети. Ракети були такі швидкі, і вони проходили більшу частину своєї траєкторії в космосі, де не було атмосфери, так зменшуючи аеродинамічний опір і ймовірність перехоплення. МБР летіли траєкторіями, подібними до траєкторій V2, але в планетному масштабі: швидке піднімання з місця запуску (підземного або мобільного, щоб запобігти ударам противника до їх розгортання) в космос, а потім балістичний (діє тільки гравітація) політ у район цілі, потім швидкий спуск до цілі. З інерційними системами наведення ці ракети могли б відхилитися на відстань кількох сотень футів від зазначеної цілі.
На ранніх етапах післявоєнного розробляння ракет і керованих ракет прогрес США сповільнювався двома факторами: суперництво між службами призводило до зайвих зусиль, коли армія і флот йшли своїм шляхом і розробляли власні ракети. Якийсь час переважала конкурентна безвихідь, концепція крилатих ракет. «Оманлива» – найкращий спосіб описати концепцію. Обидва ці відволікання були подолані в ході холодної війни, так що початкове відставання від совєтів скоротили, а потім їх і обігнали.
Як боротися з екзистенційною ракетною загрозою? З іншими ракетами. Були розроблені та розгорнуті антибалістичні ракети (АБР); вони могли перехоплювати МБР та знищувати їх у польоті, попереджені масивами сенсорів раннього попередження (наприклад, лінією DEW – далекого раннього попередження – радарів великої дальності на півночі Канади, які могли захоплювати совєтські ракети та бомбардувальники, що прямують над полярним регіоном до Сполучених Штатів). Ці АБР керувалися радіолокаційними та інфрачервоними системами виявлення та відстеження, що самі були на передньому краї технологій оборонної електроніки.
The development of rockets during this time was frenetic, given the significance of the perceived threat. From 1946 to 1962 American rocketry advanced from captured V2s to the Minuteman I. The V2 was a single-stage liquid-propellant rocket, as we have seen, that flew to an altitude of 80 km at a speed of Mach 4.5 with a maximum range of 320 km. The Minuteman I was a three-stage solid-propellant rocket (different propellants optimized for each stage) that flew to an altitude of 1,100 km at a speed of Mach 23 with a maximum range of about 13,000 km. The V2 carried a 1-ton HE (high explosive) warhead whereas Minuteman I carried a 1.2-megaton thermonuclear warhead. The Soviets were initially ahead of America in rocket development; the first ICBM test vehicle was a Soviet R-7 (designed by Korolev) launched in 1957 (see Fig. 2.7).
Розробляння ракет протягом цього часу було шалене, враховуючи значущість передбачуваної загрози. З 1946 по 1962 рік американська ракетна техніка просунулася від захоплених V2 до «Мінітмен І» (Minuteman I). V2 була одноступенева рідиннопаливна ракета, що, як ми бачили, досягала висоти 80 км зі швидкістю 4,5 Маха, з максимальною дальністю 320 км. «Мінітмен I» була триступенева твердопаливна ракета (різне паливо, оптимізоване для кожного ступеня), яка летіла на висоту 1100 км зі швидкістю 23 Маха, з максимальною дальністю близько 13 000 км. V2 мала 1-тонну фугасну боєголовку, тоді як «Мінітмен I» – термоядерну боєголовку потужністю 1,2 мегатони. Спочатку Совєтський Союз випереджав Америку в розроблянні ракет; першою випробувальною МБР стала совєтська Р-7 (конструкція Корольова), запущена 1957 р. (див. рис. 2.7).
Рис. 2.7. Варіанти совєтської реактивної устави Р-7 «Семерка» («7»). Адаптовано із зображення НАСА.
Ракети ставали дедалі універсальнішими, а також більшими та потужнішими. Їх можна було запускати з підземних шахт, з переносних пускових майданчиків на землі, з літаків або з підводних човнів. Їхні ролі стали спеціалізованішими: від ракет на полі бою до МБР, націлювання на міста, танки чи інші ракети. У 1970 році була розгорнута перша MIRV: американська «Мінітмен III». MIRV розшифровується як Multiple Independently-Targetable Reentry Vehicle (букв. множинна незалежно навідна боєголовка або совєт. роздільна головна частина з блоками індивідуального наведення), і це означає, що одна ракета може нести кілька ядерних боєголовок, які після випускання можуть рухатися незалежно від основної ракети до різних цілей. Так, світ був (є) небезпечним місцем.
Нитка розсудливості пройшла через період холодної війни. 1963 року Договір про обмежену заборону ядерних випробувань значно зменшив кількість проведених випробувань ядерної зброї. Ратифікація Договору про обмеження системи протиракетної оборони між Сполученими Штатами та Совєтським Союзом/Росією, який діяв з 1972 по 2002 рік, обмежила кількість і структуру систем ПРО для двох наддержав. Переговори про обмеження стратегічних озброєнь тривали протягом десятиліть із цього періоду, спрямовані на скорочення кількості балістичних ракет, з деяким обмеженим успіхом30.
Космічна гонитва
Перша МБР була випробувана в серпні 1957 року із запуском совєтської ракети Р-7. Ця ж ракета запустила в космос перший супутник («Спутник-1») через два місяці. Ця подія ознаменувала початок змагання між наддержавами за підкорення космосу. Фінішною прямою гонитви була відома промова президента Кенеді «Ми вибираємо шлях до Місяця» у вересні 1962 року.
Here is a year-by-year summary of the firsts achieved during the Space Race (distinguished by font style: Americans and Soviets ):
Ось щорічний підсумок перших досягнень під час космічних перегонів (відрізняються за стилем шрифту: американці та совєти):
1957. Перший штучний супутник («Спутник-1»).
1958. Перший супутник зв’язку («Говорющий Атлас» (“the talking Atlas”), названий на честь ракети, яка його запустила).
1959. Перша геліоцентрична орбіта (навколо Сонця) і виявлення сонцевого вітру («Луна-1»); перші фотографії невидного боку Місяця («Луна-2», «Луна-3») і Землі з орбіти («Explorer-6»).
1960. Перший успішний супутник-шпигун США (GRAB-1); перші ссавці повернулися живими з космосу (на борту «Спутника-5»); перше застосування супутника («Tiros-1»), для спостереження за погодою.
1961. Перші корекції на середині курсу в космосі, перша крутильна стабілізація та перший проліт повз іншу планету («Венера-1»); перший політ людини в космос (Юрій Ґаґарін на борту «Восток-1»); перший пілотований космічний політ (Алан Шепард на борту «Freedom-7»).
1962. Перший активний супутник зв'язку («Telstar»); перші дані, що повернулися з іншої планети («Венера», з «Mariner-2»).
1963. Перша жінка та цивільна особа в космосі (Валентина Терешкова на борту «Восток-6»); перша супутникова навігаційна система (NAVSAT).
1964. Перша геостаціонарна супутникова орбіта («Syncom-3»).
1965. Перший вихід у відкритий космос (Алексєй Леонов, з «Восход-2»); перший проліт Марса («Mariner-4»).
1966. Перша м'яка посадка на інше небесне тіло («Луна-9», на Місяць) і перші фотографії з Місяця; перше стикування космічного корабля («Gemini-8»).
1967. Перша дистанційно кероване стикування в космосі («Космос-186» і «Космос-188»).
1968. Перші люди, які вирвалися з земної гравітації та облетіли навколо Місяця (Френк Бормен, Джеймз Ловел і Вільям Андерз ((Frank Borman, James Lovell, William Anders) на борту «Apollo-8»).
1969. Перша людина на Місяці (Ніл Армстронг, зійшов з місячного модуля «Eagle» з «Apollo -11»).
Кілька пояснювальних і додаткових приміток, щоб додати трохи м’яса до кісток (багато книжок написано щодо цих пунктів31). Далі ми розповімо про тварин, яких відправили в космос. Після передстартового відліку Корольовим до початку свого історичного рейсу Ґаґарін вигукнув «Поєхалі!», коли стартувала ракета. Космічна капсула Шепарда була запущена ракетою «Мерк’юрі Редстоун-3» (Mercury-Redstone-3) приблизно через три тижні. Активний супутник зв'язку – фактично орбітальний транспондер. Терешкова була інженером; до її польоту всі астронавти і космонавти були військовими пілотами-випробовувачами. Під «вирватися з земної гравітації» ми маємо на увазі більший вплив гравітації Місяця, ніж Землі, перебування на місячній орбіті – гравітація Землі технічно поширюється до нескінченності. Ми обговоримо фізику орбіт разом із фізикою ракет у розд. 3.
Щоб потрапити в космос, потрібні були більші ракети, ніж МБР; щоб потрапити на Місяць, потрібні були більші ракети, ніж щоб потрапити в космос; щоб доставити людей на поверхню Місяця, потрібні були більші та важчі космічні модулі, а отже навіть більші ракети-носії. Результатом з американського боку космічної гонитви став могутній «Сатурн V», найбільша важка ракета, яка коли-небудь використовувалася (див. рис. 2.8а). Розроблена фон Брауном та його командою, ця 3-ступенева рідиннопаливна ракета розвинула в 100 разів тягу більшу, ніж у ракети «Редстоун», яка вивела Шепарда в космос. Величезний, 363 фути (110 м) заввишки, маса «Сатурна V» при злеті становила майже 3000 тон, понад дві третини якої було паливом, що згоряло протягом трьох з лишком хвилин. Ця ракета для польоту на Місяць була робочою конячкою програми «Аполон», яка використовувалася для всіх шести висадок на Місяць у період з 1967 по 1972 рік. Після «Аполона» вона використовувалася для запуску «Сайклабу», а в 1973 році була знята з експлуатації.
Рис. 2.8. День, коли завершилися космічна гонитва. (a) «Аполон-11» запущено на ракеті «Сатурн V», 16 липня 1969 року. Зображення НАСА. (b) Кількома днями раніше, під час другого випробування совєтської ракети для польоту на Місяць Н-1, стався катастрофічний вибух, коли вона злітала. Початкова стадія цього вибуху показана тут, коли автоматично запущені евакуаційні ракети/ракети аварійного порятунку (escape rockets) відводять (безпілотний) корисний вантаж від небезпеки. Зображення РКК «Енергія».
Совєтським еквівалентом була ракета з позначенням Н-1. Цей неспокійний звір також був 3-ступеневим гігантом. Після довгої боротьби 1964 року Корольов отримав совєтське завдання стосовно висадки на Місяць і почав розробляти Н-1. Розроблення було пришвидшене, недостатньо фінансоване та зірване через ранню смерть Корольова в 1966 році. Було чотири невдалі запуски і зокрема величезний вибух (мал. 2.8b) – один із найбільших техногенних вибухів, за винятком випробувань ядерної бомби – за кілька днів до успішного запуску «Аполона-11» на іншому кінці світу. Н-1 скасували в 1976 році. Решта світу (крім ЦРУ) не дізналася про ці проблеми до 1989 року, напередодні розпаду Совєтського Союзу. Совєти програли космічну гонитву та втратили будь-які надії висадитися на Місяці через фіаско Н-1. Можливо, значною мірою тому, що їхнє проєктування та розробляння космічних систем поширювалося на низку конкурентних державних конструкторських бюро (таких як «Енергія», «МіГ», «Сухой» і «Туполєв»), що різко контрастує з американською програмою висадки на Місяць, яку розробляла переважно НАСА. Саме НАСА була створена в 1958 році як реакція на те, що Совєтський Союз вивів супутник на орбіту, і її бюджет збільшився майже на 500 % протягом трьох років після заклику президента Кенеді відправити американця на Місяць до кінця 1960-х років.
Вибух Н-1 і невдалий запуск були далеко не єдині невдачі під час космічної гонитви. Як ви можете бачити на рис. 2.9a, частота аварій ракет, що прямували в космос, була висока протягом перших років космічної гонитви і відтоді зменшилася. Проте протягом останніх п’ятдесяти років вони вперто залишаються вище від однієї на двадцять. Для астронавтів і космонавтів аварії в космосі або на стартовій платформі часто були смертельні. Кількість загиблих під час космічної гонитви, а також до і після неї перевищує 300 осіб. Це число не враховує всі смертельні випадки від ракет часів війни; іншими словами, це стосується випадкових смертей, а не умисних. Ми говоримо «перевищує», бо більшість цих смертей була за залізною завісою, де цензура обмежила те, що ми знаємо. Отже, у Китаї було щонайменше 106 смертей, здебільшого внаслідок однієї аварії в 1996 році, коли ракета «Великий похід» відхилилася від курсу та вдарила по селу. Совєтський Союз/Росія втратили 154 або 155 людей, про яких ми знаємо, переважно наземний персонал, який загинув у двох важких аваріях (Нєдєлінська катастрофа 1960 року, названа на честь видатної жертви, та катастрофа на космодромі Плесецьк 1980 року). Про багатьох совєтських загиблих ми дізналися лише 1989 року, через багато часу після цих подій. Серед них шість космонавтів, які загинули в космосі або під час транзиту в/з космосу чи на землі. Американські смертельні випадки набагато публічніші: загальна кількість становить 21 (наземний персонал) плюс 23 (астронавти), зокрема сім під час катастрофи «Челенджера» в 1986 році і шість (плюс один ізраїльтянин) під час катастрофи «Колумбії» в 2003 році. Решта світу втратила близько 50 працівників ракетного персоналу після 1930 року; з них найбільші втрати сталися, коли 21 людина загинула внаслідок вибуху на пусковій платформі в Бразилії 2003 року.
Рис. 2.9. Потрапляння в космос з часом. (a) Загальна кількість запусків ракет на орбіту Землі або далі, з 1957 по 2018 рік. Також показано відсоток аварій (ракети, які вибухнули або з якихось інших причин не виконали своєї місії) у відсотках від загальної кількості. Спочатку високий рівень з 1970 року аварій становив приблизно 6 %. (b) Орбітальні запуски на країну, з 1997 по 2018 рік. ROW = решта світу, тобто всі країни, крім США, Росії та Китаю (переважно європейські країни, Японія та Індія). За останні двадцять років кількість запусків зросла, здебільшого завдяки приватним корпораціям, а також тому, що все більше країн цікавляться космосом.
ДНК в космосі
Як ми бачили, ракетна наука – серйозна справа, що спричинила смерть тисяч людей у воєнний час та сотень – у мирний. До того як люди потрапили в космос, туди відправили багато тварин, перевірити воду, якщо можна так сказати. За словами НАСА: «Без випробувань на тваринах на початку розвитку космічної програми з людьми совєтська та американська програми зазнали б великих людських втрат»32. Отже, мотивація відправити тварин вгору була досить серйозна – перевірити вплив мікрогравітації, радіації, високих G, а також перевірити, чи справді працюють системи космічних кораблів, призначені для підтримки життя. Але жоден із ваших авторів не може читати про відправлених у космос жаб-биків без посмішки, і тому, саме щодо цієї частини, ми химерно повідомимо нашу тему.
Історія тварин у космосі – це не лише історія американських мавп і совєтських собак, хоча вони ключова її частина. Першою формою земного життя в космосі – ми приймаємо означення космосу як будь-яке місце, що віддалене щонайменше на 100 км від поверхні нашої планети – були плодові мушки. Ці комахи досягли висоти 108 км 20 лютого 1947 року на борту американської ракети V2, захопленої в німців наприкінці Другої світової війни. Вони повернулися на Землю (плодові мушки, а не німці) і були виявлені живими. Їхня місія полягала в тому, щоб перевірити вплив радіації на великій висоті. Другим видом у космосі була мавпа-резус, у вигляді Альберта II, також американського. Йому не так пощастило: він досяг 134 км висоти і повернувся аж на поверхню, але несправність парашута зіпсувала йому святкування.
Несправність парашута також перервала кар’єру американської першої космічної миші, яка в серпні 1950 року досягла висоти 137 км. За рік Совєтський Союз перейшов до собак, уникаючи комах і гризунів, відправивши в космос першу з п’ятдесяти бродячих із московських вулиць. Совєти віддавали перевагу собакам, бо вони добре справлялися з тривалими періодами бездіяльності, бездомним, бо вважалося, що вони краще пристосовані до суворих умов, і сукам через, як делікатно сформулювало це НАСА, «відносну легкість контролю над відходами». Так Совєтський Союз виграв гонитву за відправлення першої собаки в космос. Два собачі космонавти Циган і Дезик піднялися 22 липня 1951 року і вижили після спуску. Насправді більшість космічних собак вижила, деякі після кількох перебувань у космосі, і деякі прожили довге життя після цього, прийняті інженерами та техніками. Ті, що не вижили і справді були відправлені в подорож в один бік без плану (або засобів) повернення, стали найвідомішими Західному світові. Лайка («гавкуча», хоча хто міг її почути в космосі?) була першою землянкою, виведеною на орбіту на борту «Спутник-2» 3 листопада 1957 року. Вона померла через кілька годин у космосі від стресу та перегріву, хоча причина не була оприлюднена протягом 45 років. У другому польоті через кілька місяців після першого помер і Дезик; за даними НАСА, Корольов був пригнічений.
Через три з половиною роки після Лайки совєти успішно відправили в космос малу людину на ім’я Юрій (він був малий, тому що модуль «Восток-1» був малий). 12 квітня 1961 року Ґаґарін зробив один оберт навколо Землі менш ніж за дві години. Тим часом Сполучені Штати вперто продовжували з іншими приматами. У грудні 1958 року біляча мавпа Ґордо піднялася, але не спустилася – знову ж таки, виною була несправність парашута. Щасливіше повелося через п’ять місяців білячій мавпі Бейкер, яка піднялася на висоту 579 км на борту «IRBM Jupiter». Вона та її космічна товаришка мавпа Ейбл пережили зворотний політ. Ейбл померла через чотири дні під час операції з видалення електрода, а Бейкер прожила до 1984 року.
Російські кролики і щури, а також собаки, плюс американські миші Салі, Емі та Мо відбули успішні космічні польоти перед двома зірково-смугастими гомінідами, шимпанзе Гемом 13 січня 1961 року та людиною Аланом 5 травня 1961 року. Через десять років Шепард ходитиме по Місяцю. Франція стала першою країною, яка доставила в космос кішку, відправивши туди Фелісет 18 жовтня 1963 року (див. рис. 2.10).
Рис. 2.10. Космічні домашні тварини. (а) Стрєлка була відправлена в космос на борту «Спутник-5» у серпні 1960 року і вижила. Пізніше совєтський лідер Нікіта Хрущов подарував Джону Кенеді одного з її цуценят. Зображення надано Teknoraver. (b) Фелісет, французька кішка – паризька бездомна, також пережила космічний політ (жовтень 1963 р.). Напис: «Дякую за участь у моєму успіху 18 жовтня 1963 року».
Після перших висадок на Місяць (Ніла і База, людей, 20 липня 1969 р.) світове зацікавлення астронавтами і космонавтами, не-людьми, згасло, хоча в космос відправлено ще багато кого, особливо після того, як почали працювати космічні станції «Мир» і «Скайлаб». Були оси, жуки, яйця жаб, амеби, черепахи (перші істоти в глибокому космосі, що подорожували навколо Місяця; суто поетично, краще була б корова), жаби, нематоди, риба муміхог і два садові павуки Арабела та Аніта, що плели павутину протягом 59 днів на борту «Скайлабу». Були риба даніо реріо, яйця паличників, тритони, креветки, перепелині яйця, цвіркуни, равлики, коропи, риба медака, морські їжаки, риба меченосець, медузи, шовкопряди, бджоли-теслі, мурахи-жнеці та таргани. Останніх повернулося більше, ніж відправлено (у вересні 2007 року), і тому ми робимо висновок, що таргани – перша форма життя на Землі, яка народжує дитинчат, зачатих у космосі.
На момент написання статті близько 550 людей із 38 країн були в космосі33; з них 61 жінка. Дванадцять людей ходили по Місяцю.
Востаннє редагувалось Пон квітня 25, 2022 1:19 pm користувачем Кувалда, всього редагувалось 1 раз.