В качестве топлива предлагались спирт и жидкий воздух. В головной части ракеты, кроме заряда взрывчатого вещества, помещалось автоматическое устройство для управления полетом, использующее гироскоп, измеритель ускорения, показания которого дважды интегрировались электромеханическими устройствами, которые позволяли судить о скорости полета и пройденном пути. Для управления угловым положением ракеты сигналы, снимавшиеся с гироскопа, преобразовывались в команды поворота рулей, установленных в хвостовой части ракеты.
Подача топлива в камеры сгорания двигателей осуществлялась специальными насосами. Для приведения в действие их и небольшого электрогенератора, обеспечивающего бортовое питание электроэнергией, на ракете предусматривался газогенератор, работавший на тех же компонентах, что и основные ракетные двигатели. Для охлаждения камеры сгорания двигателей предполагалось использовать охлажденный спирт, который затем, уже подогретым, поступал в камеру сгорания.
Небольшое отступление: знаменитая ракета Фау-2 не только походила по внешнему виду на проект ракеты Г. Оберта 1917 года, но и воспроизводила её общую структуру. Причём управление современными ракетами в основе повторяет описанную Обертом схему, в них тоже исходную информацию дают гироскопические устройства и датчики ускорения. Конструкцию ракеты Оберта 1917 года по научно-технической значимости можно сравнить с законом Архимеда, который был открыт в 212 году до нашей эры, но им успешно пользуются кораблестроители и в двадцать первом столетии.
После окончания Первой мировой войны Германская империя и Австро-Венгерская империя распались. Город, в котором родился Оберт, оказался на территории Румынии. Таким образом, Герман Юлиус Оберт, его семья и родители стали её гражданами.
С помощью германского консула, свой проект ракеты Г. Оберт из Румынии отправил в Военное министерство Германской империи. Через полгода он получил ответ, цитирую академика Б.В. Раушенбаха: «Некий майор, который ведал ракетными делами в кайзеровской армии, говоря точнее – осветительными и сигнальными ракетами, написал в своем заключении что, как показывает опыт, ракеты не в состоянии преодолевать расстояния, превышающие 7 км. Более того, он сообщил, что не следует ожидать заметного увеличения этого расстояния и в будущем» [114]. Полученный отзыв огорчил Оберта, но не ослабил его устремлений в космическое пространство.
Он с большей энергией занялся разработкой невиданных доселе конструкций ракет с двигателями на жидком топливе, но уже не для военных целей, а для полетов в космическое пространство. В последующие годы он создает целую серию проектов космических кораблей, в основе которых лежат многочисленные и подробные расчеты.
На основе своих теоретических исследований и проектных разработок Г. Оберт оформляет диссертацию на соискание ученой степени. В рукописи, представленной Г. Обертом Ученому совету Гейдельбергского университета в 1921 году, не было единой концепции, которая бы отвечала требованиям, предъявляемым к диссертациям по специальности либо астрономия, либо физика. Поэтому диссертация не была принята даже к рассмотрению. О ракетно-космической науке ученый мир того времени не имел никакого представления. Однако выдающийся астроном Максимилиан Франц Йозеф Корнелиус Вольф, профессор Гейдельбергского университета, по достоинству оценил новизну работы Г. Оберта и посоветовал издать ее в виде книги.
В июне 1923 года выходит из печати книга Германа Оберта, которая называлась «Ракета в космическое пространство». Об этой книге, через 70 лет после первого выхода её в свет, один из основоположников советской космонавтики академик АН СССР Борис Викторович Раушенбах в 1993 году напишет в своей монографии [114], посвященной Г. Оберту:
«Книга Оберта 1923 г. была первой в мировой литературе, в которой с такой полнотой и научной добросовестностью была показана техническая реальность создания больших жидкостных ракет и обсуждены возможные ближайшие цели их практического использования. Особый интерес возбуждают очень детально проработанные чертежи ракет, ничего похожего в те годы у других пионеров космонавтики обнаружить нельзя».
Книга объемом 92 страницы была разбита на три части. В ней в весьма сжатом изложении было дано всестороннее обоснование будущей ракетно-космической техники.
В первой части изложена теория жидкостного ракетного двигателя. Впервые описан способ охлаждения стенок камеры сгорания горючим, испаряя его и направляя пары в камеру сгорания вдоль стенок камеры, чтобы защитить их от прямого контакта с сильно нагретыми продуктами сгорания.
Во второй части книги описание конструкции ракеты сопровождается подробными чертежами двухступенчатой ракеты. Приводится описание работы основных элементов ракеты, оно сопровождается большим количеством численных данных, позволяющих судить о реальности проекта.
В качестве топлива предусмотрен раствор спирта с водой и жидкий кислород для первой ступени ракеты, жидкие водород и кислород – для второй ступени. Добавка к спирту воды должна была понизить температуру сгорания и тем самым облегчить проблему охлаждения внутренних стенок ракетного двигателя.
Расчетами было показано, что может оказаться полезным предварительный разгон ракеты. В этом случае она становится трехступенчатой. Можно взять и большее число ступеней, тогда ракета будет способна развить космические скорости.
В третьей части подробно обсуждается проблема воздействий на человека перегрузок и невесомости, дается чертеж центрифуги для физиологических исследований и тренировки космонавтов. Особый параграф посвящен опасностям ракетного полета и выходов из нештатных ситуаций. Рассмотрен выход через шлюз в открытый космос – «наблюдатели, одевшись в особые водолазные костюмы, смогут из своей кабины вылезать через двойную дверку в свободное мировое пространство, оставаясь связанными с ракетой канатом».
В этой же части даны оценки времени, необходимого для создания ракеты и требуемых для этого средств. Что касается времени, то Г. Оберт вполне объективен – он считал, что всё описанное вряд ли осуществится в ближайшие десять лет.
Однако, рассматривая практическое применение ракет, он пишет, что, находясь на орбите, ракета может стать стартовой площадкой для других ракет, которые будут курсировать между нею и Землей. Оснастив спутник зеркалом, он предлагает направлять солнечные лучи на Землю, чтобы плавить приполярные льды с целью увеличения посевных площадей сельскохозяйственных угодий. Романтик, он жил в послевоенной полуголодной Европе.
Темп любительского ракетостроения нарастал. В 1925 г. инженер из Эссена Вальтер Гоман опубликовал книгу о траекториях полета ракет в межпланетном пространстве. За ней последовали статьи Макса Валье о полётах в космос: «Из Берлина в Нью-Йорк за один час», «Смелое путешествие на Марс» и другие.
В начале 1927 года Иоганнес Винклер основал журнал «Ракета» и совместно с Максом Валье организовал «Spaceflight Club» (AFR) – «Клуб космических полетов», в котором собирались энтузиасты аэрокосмических полетов для обсуждения своих идей. Экспериментальные работы, как и публикацию научных статей по ракетной тематике, энтузиасты производили на собственные денежные средства. Вполне понятно, как охлаждал пыл романтиков космоса дефицит финансов.
Поэтому, исходя из того, что труд коллектива более продуктивен, чем труд одиночек, журналист Вилли Лей предложил придать клубу AFR более массовый характер, расширить круг его участников. Идея попала на благодатную почву, и 5 июля 1927 года состоялось собрание. Учредителями нового сообщества стали: Иоганнес Винклер, Герман Оберт, Рудольф Небель, Макс Валье, Вилли Лей, Вальтер Гоман, Гвидо Пирке, Герман Поточник, Клаус Ридель, Рольф Энгель, впоследствии каждый из них вписал свою страницу в историю формирования мировой космонавтики.
Новой общественной структурой ракетчиков-любителей стало «Verein fuer Raumschiffahrt», в переводе «Общество космических путешествий». Первым председателем Общества был избран Иоганнес Винклер [171].
В 1928 году Комитет Астрономического общества Франции по присуждению премии «Эсно-Пельтри-Гирша» присудил члену этого общества, Герману Юлиусу Оберту, премию за представленную рукопись. Премия позволила ему опубликовать в 1929 году книгу «Wege zur Raumschiffahrt» – «Пути к звёздоплаванию», объемом в 423 страницы, то есть в четыре раза больше, чем книга, которую он издал в 1923 году. Основной причиной увеличения объема книги явились новые результаты, полученные Обертом за пять лет, прошедших между первым и третьим изданием книги.
Главным достижением Оберта в разделе динамики ракет следует считать предложенную им синергическую траекторию подъема и разгона космической ракеты. Никто до него не рассматривал столь тщательно вопроса об оптимальных траекториях космических ракет, стартующих с Земли и переходящих на заданную космическую орбиту.
Основная идея полета по синергической траектории заключена в горизонтальном, без удаления от Земли, разгоне. Космический полет начинается с достижения круговой скорости в атмосфере, создающей большое воздушное сопротивление. Поэтому вначале выгодно, не слишком разгоняясь, поднять ракету за пределы атмосферы и уже там начать основной разгон. При этом взлетать следует в направлении на восток, чтобы добавить к горизонтальной скорости ракеты скорость вращения Земли. Эта идея оказалась чрезвычайно плодотворной. И сегодня все космические ракеты взлетают и разгоняются, следуя этой схеме.
В книге приведены формулы для расчета движения по всей синергической траектории. Оберт показывает, что при разгоне до второй космической скорости использование предложенной им траектории дает по сравнению с вертикальным подъемом экономию топлива, которого хватило бы на дополнительный разгон в космическом пространстве на 1–2 километра в секунду. А это очень большая экономия и топлива, и окислителя.
Проблема возвращения космического аппарата к Земле и его спуск на ее поверхность тоже занимает достойное место в книге.
Целая глава книги посвящена вопросам стабилизации полета ракеты.
Описывается задача автоматического управления полетом ракет и соответствующие приборы управления: два свободных гироскопа и три датчика ускорений, измеряющие не только осевое ускорение, но и две ортогональные боковые составляющие. На основе обработки этих измерений появляется возможность определять с нужной точностью движение центра масс ракеты. В качестве исполнительных органов предлагаются газовые рули. Обсуждаются опасности межпланетного полета – различные излучения в космическом пространстве, метеоритная опасность; предлагается скафандр для выходов в открытый космос.
В последней главе книги рассматривается возможность создания электрического космического корабля. Предлагается получать реактивную силу за счет разгона ионизированных молекул до скоростей порядка 10–40 километров в секунду. Причем большие скорости истечения способствуют снижению расхода массы. В космосе масса «дороже» энергии, так как запасы массы невосполнимы, в то время как энергию можно получить за счет излучения Солнца.
В то время полупроводниковых преобразователей солнечного света в электрическую энергию еще не существовало. Поэтому Г. Оберт предлагает зеркалами фокусировать солнечные лучи на паровом котле, пар вращает турбину, которая смонтирована на одной оси с электрогенератором. Турбина работает по замкнутому циклу – сконденсированный пар снова подается в паровой котел [114].
Результаты работ этих энтузиастов-ракетчиков не могли не попасть в сферу внимания руководства рейхсвера. Первым, кто в летающих «игрушках» романтиков межпланетных путешествий увидел потенциальное средство для нанесения ударов по стратегическим объектам в тылу противника, был Карл Хайнрих Эмиль Беккер, автор книги «Внешняя баллистика и теория движения снаряда от дула орудия до попадания в цель».
Доктор наук, профессор Высшего технического училища в Шарлоттенбурге подполковник Карл Беккер, в будущем генерал артиллерии, возглавлял Отдел баллистики и боеприпасов. Проведя анализ состояния уровня развития пороховой ракетной техники в Германии, он подготовил и направил соответствующий доклад начальнику Управления вооружений сухопутных войск генералу Курту фон Шлейхеру. С положительным отзывом тот направил доклад в следующую инстанцию.
Ознакомившись с этим докладом, министр рейхсвера (министр обороны Веймарской республики) генерал-лейтенант Карл Эдуард Вильгельм Грёнер издал приказ об изучении возможности применения реактивных и ракетных двигателей в военных целях. В соответствии с этим приказом К. Беккер в руководимом им Отделе баллистики и боеприпасов организовал рабочую группу под руководством капитана фон Горстига.
Первоначальным заданием была разработка и испытания пороховых ракет. Затем на их основе создание дешевого и простого в производстве оружия, которое могло бы уничтожать цели в отдалении до 8 километров. Что касаемо ракет на жидком топливе, предстояло сначала изучить принципы их работы, закономерности полёта и создать теорию их проектирования. Для этого предстояло провести экспериментальные работы по созданию моделей таких ракет [27].
Вилли Лей об этой ситуации напишет: «Не будет большим преувеличением сказать, что задача, поставленная отделу, была почти невыполнима. Ведь не имелось практически ничего, чем можно было бы руководствоваться. Ни один технический институт в Германии не вел работу в области ракет, не занималась этим и промышленность. Единственно известное экспериментирование с ракетами проводилось с рекламными целями. Конечно, были и отдельные изобретатели, но большинство из них хранило свои мысли в тайне и походило на сумасшедших. Сотрудник отдела баллистики капитан фон Горстиг, ведавший организационными вопросами, долго не мог найти такого изобретателя, который при значительной финансовой помощи мог бы дать какое-либо законченное изобретение» [35].
Поэтому на усиление группы капитана фон Горстига, начальник отдела К. Беккер направляет капитана рейхсвера Вальтера Роберта Дорнбергера. В Первую мировую войну он служил в артиллерии, воинское звание – лейтенант. За боевые отличия был награжден орденами – Железным крестом 1-го и 2-го класса [56]. Попал в плен к французам.
После освобождения восстановлен в вооруженных силах и был откомандирован на учебу в Высшее техническое училище в Шарлоттенбурге, округ Берлина (в 1946 году переименовано в Берлинский технический университет), где занимался изучением баллистики. После получения степени магистра весной 1930 года был направлен в Отдел баллистики Управления вооружений сухопутных сил [31].
Для проведения экспериментов по ракетной тематике в пригороде Берлина, близ поселка Куммерсдорф-Гут, между двумя действующими артиллерийскими полигонами, был построен испытательный стенд для пороховых ракет. На этом стенде капитан Дорнбергер с небольшой группой военнослужащих занимался испытаниями пороховых ракет с целью выяснения возможностей использования их в качестве боевого оружия.
Теоретические разработки в области конструирования, технологии изготовления и опыта применения пороховых ракет в конце XIX – начале XX века были достаточно глубоко проработаны и опубликованы во многих научных трудах на эту тематику. А к началу тридцатых годов двадцатого столетия физика, химия, металлургия, энергетика, электроника совершили громадный скачок в своём развитии. Обилие новых конструкционных материалов, развитие машиностроительной индустрии, появление принципиально новых прецизионных технологий открывали широкие горизонты и возможности для оружейников. Задача, стоящая перед Дорнбергом, заключалась в том, чтобы, соединив эти два потока, массив информации по проектированию пороховых ракет и научно-технические достижения промышленности, создать высокоэффективные боевые ракеты на твердом топливе. Но, увы!
О пороховых ракетах, будучи уже генералом, в своих мемуарах В. Дорнбергер напишет: «Тогда я не имел представления, что несколько лет спустя эти самые пороховые ракеты обретут такое большое значение на полях сражений в России, Франции, Норвегии и в Северной Африке. Еще меньше я подозревал, что их появление на фронте в самом начале Русской кампании в июне 1941 года возвещает для них начало новой эры» [50].