Секреты американской космонавтики

Теодор фон Карман был теоретиком, а не практиком ракетостроения. Он больше занимался изучением сопутствующих дисциплин – аэро-, гидро– и термодинамики, сопротивления материалов, теории пластичности и прочего. В истории ракетной техники нельзя найти ни одной ракеты, где главным конструктором не значился бы фон Карман. Ни одна ракета не смогла бы летать, если бы не работы этого ученого. Это прекрасно понимали специалисты всего мира. Поэтому и избрали в 1960 году фон Кармана первым президентом созданной тогда Международной академии астронавтики. Но это будет потом, а тогда, в 1930-х годах, перед «Ракетным обществом» при Калифорнийском технологическом институте стояли совершенно другие задачи.

Как показали дальнейшие события, эта группа проделала огромную работу, не ограничившись созданием высотной ракеты. Ею была отработана целая серия ракетных топлив, сконструирован и запущен в массовое производство первый американский стартовый ракетный ускоритель и проведено много весьма ценных исследований.

Что касается проекта создания высотной ракеты, то в конкретную форму его облекли только в ноябре 1943 года, когда фон Карман, Мэлина и Цзян Сюсэнь направили памятную записку в управление артиллерийско-технического снабжения армии США. В ответ на нее генерал-майор Дж. Барнс потребовал, чтобы группа форсировала начатые работы. Эта программа получила название проекта ORDICIT (сокращение от Ordnance and California Institute of Technology, то есть совместный проект артиллерийско-технического управления и Калифорнийского института).

Первой системой, разработанной согласно этому проекту, была ракета «Прайвит А», имевшая длину около 2,4 метров. Она была сконструирована для полета со сверхзвуковой скоростью и поэтому имела заостренный носовой конус. В нижней части ракеты были смонтированы четыре стабилизатора, причем каждый из них выступал из корпуса двигательного отсека на 30 сантиметров. Полный вес ракеты составлял более 225 килограммов, включая полезную нагрузку в 27 килограммов. Снабженная двигательной установкой фирмы «Аэроджет» на твердом топливе, ракета создавала тягу порядка 450 килограммов в течение более 30 секунд.

Ускоритель старта представлял собой стальной корпус с четырьмя 114-миллиметровыми артиллерийскими ракетами, запускаемыми одновременно. Снабженный отверстием в центре для прохода струи газов маршевого двигателя ракеты ускоритель создавал дополнительную тягу при взлете свыше 9700 килограммов. На пусковой установке были предусмотрены приспособления, препятствующие вращению как ракеты, так и ускорителя. Для предотвращения чрезмерной перегрузки, которая неизбежно могла возникнуть, если запуск ускорителя происходил после запуска маршевого двигателя, ускоритель крепился на ракете с помощью срезной шпильки.

Пусковая установка была выполнена в виде прямоугольной фермы длиной 11 метров с четырьмя направляющими рельсами внутри. Ферма устанавливалась на стальном основании, с которым соединялась посредством шарниров. Это обеспечивало возможность наводки в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Ферма предназначалась, во-первых, для поддержания ракеты и направления ее по траектории до тех пор, пока не разовьет скорость, достаточную для приобретения аэродинамической устойчивости, а во-вторых, для обеспечения полного выгорания топлива и отсоединения ускорителя от ракеты «Прайвит», прежде чем та покинет пусковую установку.

Испытания ракеты «Прайвит A» проводились с 1 по 16 декабря 1944 года на полигоне Лич-Спринг в Калифорнии. Всего было произведено 24 пуска. Средняя дальность полета ракет составила около 16 километров, максимальная – 18 километров.

Вслед за ракетой «Прайвит А» была подготовлена к испытаниям опытная ракета «Прайвит F». Она была построена для исследования влияния несущих поверхностей на полет управляемого снаряда и по существу мало чем отличалась от своей предшественницы. Однако вместо четырех симметричных перьев стабилизатора в хвостовой части она несла только одно перо и две горизонтальные несущие поверхности с размахом до 1,5 метров. В головной части снаряда для создания аэродинамического равновесия были установлены два тупых крыла с размахом около 1 метра.

Ускоритель старта ракеты «Прайвит F» почти целиком повторял конструкцию ускорителя «Прайвит A». Однако наличие крыльев и несущих поверхностей на ракете потребовало переделки пусковой установки. Новая установка имела ажурную конструкцию, выполненную из стали, с двумя рельсами снаружи вместо прежних четырех внутри.

Летные испытания ракеты состоялись с 1 по 13 апреля 1945 года на полигоне Гуеко в Форт-Блисс, что в штате Техас. Полигон был оборудован радиолокатором наблюдения за траекторией полета ракет и кинокамерами для съемки начального участка траектории. Всего было запущено 17 ракет.

Как «Прайвит А», так и «Прайвит F» предназначались лишь для изучения конструкции ракет. Приборы, которые на них устанавливались, должны были давать сведения о поведении ракеты в полете. Однако вскоре из управления артиллерийско-технического снабжения поступило задание определить возможность создания такой ракеты для исследования верхних слоев атмосферы, которая могла бы поднять полезный груз весом около 11 килограммов на высоту до 30 километров.

Эта ракета, получившая название «Капрал», была сконструирована в расчете на жидкие топлива. Однако при этом не имелись в виду ни комбинация из бензина и жидкого кислорода, которую применял Годдард, ни немецкая смесь из спирта и жидкого кислорода. На первом этапе работы калифорнийская группа провела глубокое теоретическое исследование жидких окислителей, которые могли бы заменить жидкий кислород. Они остановились на азотной кислоте, которая при разложении выделяет 63,5 % свободного кислорода. Вначале они работали с относительно чистой промышленной азотной кислотой, однако спустя некоторое время было установлено, что ее свойства можно улучшить путем растворения в ней двуокиси азота, то есть путем превращения ее в так называемую дымящую азотную кислоту. Горючим по-прежнему оставался бензин. И хотя эта топливная смесь нашла тогда применение, ее свойства никого до конца не устраивали.

Теодор Карман

Исследователи в Аннаполисе испытывали примерно такие же затруднения. В то время там активно работали две группы, перед которыми стояла одна и та же задача – разработать реактивный ускоритель старта для морского патрульного бомбардировщика типа PBY. Одну группу возглавлял Годдард, другую – капитан 3-го ранга Труэкс. Группа Труэкса, проводя опыты с рядом топлив, установила, что некоторые жидкости при соприкосновении с азотной кислотой воспламеняются самопроизвольно. Впервые это явление наблюдалось на скипидаре; потом оказалось, что и анилин дает такой же эффект.

Приблизительно в это время в Аннаполис приехал Фрэнк Мэлина и детально ознакомился со всем, что здесь делалось. О своих наблюдениях он сообщил по телефону в Калифорнию доктору мартину Саммерфилду. После этого ракета «Капрал» была переконструирована так, чтобы стало возможным использование в качестве топлива смеси анилина с 20 %-ной добавкой фурфурилового спирта для понижения точки замерзания. Это была первая американская баллистическая ракета, в которой применялся данный вид топлива.

Еще до окончания отработки ракеты «Капрал» понадобилось установить экспериментальным путем, насколько основные характеристики ракеты соответствуют расчетным. Для этого была сделана модель (в одну пятую натуральной величины) ракеты, получившая название «Бэби-ВАК». Опытные запуски модели производились на полигоне Голдстоун с 3 по 5 июля 1945 года.

Эти опыты подтвердили правильность выбора трех стабилизаторов вместо обычных четырех и обоснованность конструкции стартового ускорителя на твердом топливе. В окончательном виде ракета «Капрал» представляла собой трубу с длинной конической носовой частью и тремя стабилизаторами общей длиной 5 метров и диаметром 30 сантиметров. Стартовый вес ракеты без ускорителя несколько превышал 300 килограммов, а «сухой» вес с полезной нагрузкой равнялся 130 килограммам. Двигатель ракет создавал на протяжении 45 секунд работы тягу порядка 680 килограммов.