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 подій
2.
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 польотів
3. 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 рецептів
5, 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 базуку
8. 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 рівні
10.
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 небезпечним
11.
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 техніки
12.
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 написаною
13. 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 палива
15, 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 час
16.
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 часу
17.
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 війни
18.
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 читачів
19. 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 літаки
20.
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 нагороди
22.
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 союзники
23. 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 року
24.
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.
