Ракета двинулась по рельсам, набирая скорость, и, наконец, заскользила с невероятной быстротой.
А. Беляев «Звезда КЭЦ»
Один из многих
Полет в космос… Для современного человека это словосочетание уже утратило свою новизну. Космическая эра человечества давно отпраздновала полувековой юбилей. И единственным способом вырваться на орбиту все это время оставалась многоступенчатая ракета, иронично именуемая «керосиновой бочкой». Конечно, в виде топлива используются и другие компоненты, но суть не в этом. Многоступенчатая ракета, вертикально стартуя с земли и поочередно отбрасывая отработанные ступени, доставляет на орбиту корабль-капсулу. В свою очередь, возвращаясь обратно, он тоже оставляет за собой шлейф из ряда «ненужных» модулей, опускаясь на поверхность планеты обугленным шариком спускаемого аппарата.
За всю историю освоения космоса реально работавшее исключение из этой схемы было только одно – «Спейс шатл». Но полеты этой многоразовой системы стали достоянием истории – в отличие от разработанных еще в 60-е «Союзов». Катастрофы «Челленджера» и «Коламбии» показали ненадежность американских челноков, а стоимость вывода на орбиту килограмма груза – 2000 долларов США – оказалась в 2,5 раза выше, чем у доставшегося России в наследство от СССР «Протона».
Многоступенчатая ракета подняла на орбиту первый искусственный спутник Земли и первого человека, вывела в космос первую орбитальную станцию и доставила американских астронавтов на Луну, позволила автоматическим межпланетным станциям дотянуться до Марса, Венеры и даже выйти за пределы Солнечной системы.
Однако теоретики и практики космических полетов – от фантастов-мечтателей до мощнейших конструкторских бюро – прорабатывали не только этот вариант выхода человека на орбиту. Одни проекты оказались фантазией чистой воды, другие могли быть реализованы – и даже реализовывались «в металле», но тоже отправились на свалку истории…
А может быть, на полку архива? Дожидаться своего времени?
Из пушки на Луну
«Раздался ужасный, неслыханный, невероятный взрыв! Невозможно передать его силу – он покрыл бы самый оглушительный гром и даже грохот извержения вулкана. Из недр земли взвился гигантский сноп огня, точно из кратера вулкана. Земля содрогнулась, и вряд ли кому из зрителей удалось в это мгновение усмотреть снаряд, победоносно прорезавший воздух в вихре дыма и огня».
В 1865 году свет увидела книга французского фантаста Жюля Верна «С Земли на Луну прямым путем за 97 часов 20 минут». В ней, а так же в вышедшем в 1869 году романе «Вокруг Луны», описывается космическое путешествие двух американцев и одного француза. Снаряд – по сути, корабль-капсула – был выведен в космос выстрелом из гигантского орудия.
Интересно, что в 1897 году Герберт Уэллс в своей «Войне миров» использовал такой же «артиллерийский» способ доставки инопланетных захватчиков-марсиан на Землю.
Казалось бы, что может быть фантастичнее и антинаучнее, чем такой способ «доставки» космонавта на орбиту? Герои Жюля Верна, как и уэллсовские марсиане, должны были погибнуть несколько раз. В момент выстрела ускорение неминуемо уничтожило бы всех находящихся «на борту» снаряда путешественников и деформировало бы саму пустотелую капсулу. Кроме того, «космонавны» мгновенно оглохли бы от грохота выстрела, задохнулись бы в капсуле-снаряде, в котором романист не предусмотрел никакой системы удаления за борт отходов жизнедеятельности и, наконец, погибли бы еще раз в момент удара снаряда о Луну (в варианте Уэллса – о Землю).
И все же, в отличие от предшественников (того же Алана Эдгара По, например), Жюль Верн перемещает своих героев на Луну вполне «научным» путем – в идее «артиллерийской» доставки груза на орбиту есть рациональное зерно. Если сделать ускорение постепенным и усовершенствовать снаряд-капсулу, то лететь в космос вполне возможно. Надо только заменить пушку на… ракету.
Рельсотрон вместо Колумбиады
Как ни странно, даже «жюльверновский» способ вывода грузов на орбиту рано сбрасывать со счетов. Стоит только заменить его «Колумбиаду» – огромную пушку – на рельсотрон, или, как его еще называют, рейлган. В 2008 году ВМС США был испытан рельсотрон, разгоняющий трехкилограммовый снаряд до скорости 2,5 км/с. Конечно, для преодоления притяжения Земли этого пока маловато. А вот для «выстреливания» грузов с поверхности Луны на окололунную орбиту – вполне достаточно. Так что «артиллерийский» способ выхода в космос пока еще рано окончательно сбрасывать со счетов.
Вне Земли
«Прибор имел вид металлического, вертикально стоящего продолговатого рыбьего пузыря длиною в 20 метров. Поперечник его имел 2 метра. Внутри прибора было достаточно светло благодаря многим окнам небольшого размера. Там мы увидим три нетолстые трубы, идущие по его стенам и выходящие внизу наружу. Далее были какие-то механизмы, отчасти скрытые металлическими кожухами, и огромные отделения с какими-то подозрительными жидкостями. Через смешение их происходил непрерывный и равномерный взрыв, причем продукты со страшною силою должны вырываться через трубы наружу в нижней части снаряда. Ряд рукояток у замысловатых циферблатов предназначался для управления снарядом: для движения его в ту или другую сторону, с той или другою силою давления взрыва».
В 1894 году был впервые опубликован сборник очерков Константина Эдуардовича Циолковского «Грезы о Земле и небе». Одно из произведений – «Вне Земли» – описывало, в частности, космическое путешествие на летательном аппарате, который, по сути своей, являлся одноступенчатой ракетой.
Предложенный Циолковским космический корабль состоял из трех отсеков – обитаемого, агрегатного и топливных баков, заключенных в один общий корпус. Реактивная струя обеспечивала полет аппарата на всех участках его траектории. Однако есть одно «но». Доступные и на тот, и на настоящий момент варианты ракетного топлива только для вывода полезного груза на орбиту требуются в количестве, во много раз превышающем вес этого самого груза. Например, «Энергия» при стартовом весе 2400 тонн выводит на низкую околоземную орбиту чуть более 100 тонн груза, а на геостационарную – всего 18. А в варианте, предложенном Циолковским, космический корабль должен был тянуть за собой сотни тонн «мертвого» груза в виде уже опустевших баков.
Впрочем, ученый и сам понимал фантастичность своей первоначальной идеи. В 1929 году в книге «Космический ракетный поезд» он предложил другой способ выхода на орбиту – многоступенчатую ракету. По идее Константина Эдуардовича несколько ракет, вырабатывая свое топливо, поочередно отделяются от ракетного поезда, а его основной модуль, получив необходимое ускорение, в конце концов, выходит в космическое пространство.
Казалось бы, схема ничем не отличается от привычной нам «керосиновой бочки». Но на самом деле в ракетном поезде Циолковского было два существенных отличия. Во-первых, разгон всей системы начинался горизонтально – на земле, по специально построенному рельсовому пути длинной в несколько сотен километров, который заканчивался своеобразным трамплином. Во-вторых, ступени ракеты-носителя разгоняли космический корабль, не «толкая» его, как это происходит сейчас, а «таща за собой» – первой отрабатывала свое головная ступень, отцеплялась, за ней разгон продолжала вторая и так далее. Такая своеобразная система была придумана для того, чтобы узлы ракетного поезда подвергались нагрузкам не на сжатие, а на растяжение. В этом случае конструкцию ракет можно было бы облегчить.
Обе идеи «калужского мечтателя» так и не были реализованы на практике, зато оказались очень востребованы у фантастов разных поколений.
Полеты не наяву
С легкой руки Циолковского идея «горизонтального старта» прочно укоренилась в советской довоенной космической фантастике – и книжной, и экранной. В фильме «Космический рейс» (1935 год) запуск корабля в космос осуществляется с гигантского арочного трамплина. Точно также уходят в космос герои Беляева в «Звезде КЭЦ» (1936 год) и Александра Казанцева в «Пылающем острове» (1940 год). А вот в современной фантастике подавляющее большинство космических кораблей больше напоминают ракету из произведения Циолковского «Вне Земли». Другое дело – литературная фантазия авторов делает двигатели гораздо меньшими, а топливо и вовсе наделяет фантастическими характеристиками.
«Воздушный старт» Цандера
«На чертеже дана разработанная мною схема аэроплана, у которого наружные части могут втягиваться при помощи конических барабанов с образующей соответственной формы, на которые наматываются тросы, втягивающие секции крыльев и все остальные части в сосуд для расплавления и использования в качестве горючего».
Фридрих Артурович Цандер написал первую работу на «космическую» тему еще в 1908 году. Касалась она вопросов жизнеобеспечения человека в полете. А в 1911 году 24-летний инженер начал разрабатывать идею аппарата для выхода за пределы атмосферы, взлетающего, как аэроплан. В 1924 году этот проект был опубликован в журнале «Техника и жизнь» под названием «Перелеты на другие планеты». По идее Цандера, космический аппарат одновременно являлся фюзеляжем большого самолета. В нижних слоях атмосферы его планировали разгонять при помощи поршневого авиационного мотора либо воздушно-реактивного двигателя. При достижении разреженных слоев атмосферы должны были включаться ракетные двигатели, а крылья и прочие уже ненужные элементы «самолетной» конструкции втягивались внутрь корпуса и расплавлялись там, чтобы использоваться в качестве дополнительного горючего.
Фридрих Цандер был горячим сторонником «воздушного старта» – как теперь называется такой способ выхода в космическое пространство. «Для полета в высшие слои атмосферы, а также для спуска на планеты, обладающие атмосферою, будет выгодно применять аэроплан, как конструкцию, поддерживающую межпланетный корабль в атмосфере. Аэропланы, обладающие способностью производить планирующий спуск в случае остановки двигателя, во многом превосходят парашют, предлагаемый для обратного спуска на землю Обертом в его книге: «Ракета к планетам», – писал он. И если Циолковский остался только теоретиком космических полетов, то Фридрих Артурович Цандер всю свою жизнь отдал на то, чтобы теория стала практикой. В 1929–1932 годах им был построен и испытан ракетный двигатель ОР-1, работающий на сжатом воздухе и бензине, в 1933-м – ОР-2. На этот раз в качестве топливной пары использовался бензин и жидкий кислород. В 1931–1932 году Цандер возглавлял «колыбель» советского ракетостроения – ГИРД (Группу изучения реактивного движения), где в 1933 году была построена и запущена первая советская ракета М.К. Тихонравова с двигателем Цандера. Но до этого дня человек, избравший своим девизом слова «Вперед на Марс!», не дожил…
Однако предложенная Цандером идея «воздушного старта» оказалась не только живучей, но и весьма перспективной. Сейчас эта концепция – естественно с целым рядом доработок – рассматривается как основная альтернатива многоступенчатым ракетам.
Три Цандера
Фридрих Артурович Цандер послужил прототипом сразу двух литературных героев. В «Аэлите» Алексея Толстого он предстает перед читателями как инженер Лось, а Александр Беляев и вовсе запутал многих неискушенных читателей, назвав инженера-строителя космического корабля из романа «Прыжок в ничто» Лео Цандером. Правда, оба литературных героя выходят в космос совсем не с помощью «аэроплана-космолета», предложенного реальным Цандером. Зато проект Фридриха Артуровича можно считать предтечей авиационно-космической многоразовой системы «Спираль».
«Летчики» и «Ракетчики»
«1 – При современном состоянии науки и техники возможно создание аппарата, который может выйти за пределы земной атмосферы. 2 – В дальнейшем смогут подобные устройства развивать такую скорость, что вместо падения на Землю войдут в межпланетное пространство, преодолев земное притяжение. 3 – Имеется возможность создать такие устройства, которые смогут выполнить подобные задачи, имея на своем борту человека, вероятно без серьезного ущерба его здоровью. 4 – При определенных условиях создание таких устройств сможет стать вполне целесообразным. Такие условия могут возникнуть в ближайшие десятилетия».
В 1923 году в Германии увидела свет книга Германа Юлиуса Оберта «Ракета для межпланетного пространства». В 1908 году 16-летний гимназист Оберт окончательно определил для себя, что единственным способом выйти в космос является ракетный старт, и занялся работой в этом направлении. В 1917 году он сконструировал 25-метровую ракету, двигатель которой работал на смеси спирта и жидкого кислорода, снабженную гироскопом для стабилизации полета. «Ракета для межпланетного пространства» стала настоящей библией для всех немецких ракетостроителей. Свои идеи Оберт развил и дополнил позже – в вышедшей в 1929 году книге «Путь к звездоплаванию», а в 1930 перешел от теории к практике, создав и испытав первый образец ракетного двигателя Kegelduse.
Между прочим, за два года до описываемых событий пионер немецкого ракетостроения повстречался с молодым студентом Вернером фон Брауном – тем самым, который впоследствии обрушил на Лондон первые боевые баллистические ракеты ФАУ-2, а после войны стал настоящим локомотивом американской космической программы. Кстати, к работам над ФАУ-2 в качестве консультанта привлекался и сам Оберт. В целях секретности ему был присвоен псевдоним Фридрих Хан.
Среди прочих идей, внесенных Обертом в ракетостроение, необходимо упомянуть, что именно он впервые предложил использовать парашют для приземления спускаемого аппарата.
Однако наряду с ракетчиком Обертом Австрия дала миру еще и «летчика» Зенгера с его проектом «Зильберфогель».
Статью с описанием дальнего ракетного бомбардировщика Ойген Зенгер опубликовал в 1934 году, а после аншлюса Австрии руководство Третьего Рейха дало «зеленый свет» этому проекту, рассчитывая получить самолет, который мог бы долететь до Америки. 84 тонны топлива должны были обеспечить «Серебряной птице» скорость 6,4 км/с и поднимать ее на высоту 260 км. По огромной параболе космолет «выпрыгивал» в космос, чтобы потом по нисходящей траектории донести до Нью-Йорка 6 т бомб. Прорабатывались несколько вариантов полета: первый, с приземлением в Австралии, который делал «Серебряную птицу» дорогой одноразовой игрушкой, второй, с возвращением к точке взлета и, наконец, третий – «кругосветный». В этом режиме «Зильберфогель» достигал максимальной скорости в 7 км/с и высоты в 280 км. Несколько раз на своем маршруте он должен был «оттолкнуться» от плотных слоев атмосферы и продолжить свой суборбитальный полет.
Проект «Серебряной птицы» так и не был реализован. Можно даже сказать, к счастью – в первую очередь, для самого Зенгера и первых нацистских астронавтов. Потому что проведенные в 2008 году расчеты показали: при первом же касании плотных слоев атмосферы «Серебряная птица» неминуемо разрушилась бы.
И снова рельсы
Между прочим, стартовать «Серебряная птица» должна была в полном соответствии с довоенной «классикой жанра» – предварительный разгон ракетоплана осуществлялся на трехкилометровой стартовой катапульте. Разгонная тележка «Зильберфогеля» должна была приводиться в движение собственным ракетным двигателем и разгонять бомбардировщик до скорости 0,5 км/с.
В космос – на лифте?
Кроме ракетного поезда, Константин Эдуардович Циолковский считается автором еще одного «пути на орбиту» – космического лифта. В 1895 году он предложил конструкцию, напоминающую построенную чуть позже Эйфелеву башню – но высотой в 150 км. Основание гигантского сооружения должно было иметь поперечник в 100 км, а толщина стенок на 20-километровой высоте – 6,5 м. Увенчать титаническую конструкцию ученый предложил площадкой диаметром 400 м. Верхушка такой башни должна была двигаться в пространстве со скоростью 11 км/с – просто за счет вращения Земли. Таким образом, этой «пращой» можно было запускать с Земли космические аппараты не только на орбиту, но и к Луне – без всяких ракет.
Фантастика? Бесспорно. Даже изготовленная из самой прочной стали башня такого размера не смогла бы выдержать собственный вес. Но, как известно, прогресс не стоит на месте. В 1960 году на основе этой идеи Юрий Николаевич Арацутанов предложил свой проект «космического лифта». По его замыслу лифт должен представлять собой трос, связывающую поверхность Земли с находящимся над геостационарной орбитой противовесом. И по торсу – действительно как на лифте – потекут на орбиту грузы, причем подъемник будет еще и ускоряться за счет вращения Земли. Арацутанов был более реалистичен в своих планах, чем «калужский мечтатель», подчеркивая, что его проект – дело далекого будущего, когда будут созданы подходящие материалы. Для начала космической эры «лифт» как средство доставки, конечно, не подходил…
И то и другое
В настоящий момент опыты с углеродными нанотрубками показали, что и проект «космического лифта» Арацутанова, и проект «космической башни» Циолковского… в принципе могут быть реализованы уже в ближайшем будущем. По крайней мере, в части изготовления самого троса и возведения корпуса башни. Японцы не так давно заявили о намереньях построить космический лифт уже к 2038 году. По подсчетам японских инженеров, такая конструкция позволит отправлять на орбиту до 10 тыс. человек ежегодно.
Капсула или космолет?
В начале 50-х годов прошлого века основным вариантом вывода грузов на орбиту стала многоступенчатая ракета. В 1950–57 годах в ОКБ-1 под руководством С.П. Королева была разработана и испытана Р-7 – знаменитая «семерка», открывшая космическую эру. Ноу-хау Королева стала пакетная схема – первая ступень «семерки» состояла из четырех боковых блоков – как тут не вспомнить идею Циолковского, который предлагал соединять ракеты не только последовательно, но и параллельно, чтобы увеличить их общую мощность. Центральный блок «семерки» являлся второй ступенью и – одновременно – помогал боковым блокам при старте. В 1957 году Р-7 вывела на орбиту первый искусственный спутник Земли и в ОКБ-1 всерьез взялись за работу над пилотируемым полетом.
Однако основная и привычная для современного человека схема с запуском корабля-капсулы и возвращением спускаемого аппарата на Землю при помощи парашютной системы в то время не казалась единственно верной. Королев не был уверен в надежности парашютов и в 1957 году поручил авиаконструктору Павлу Цыбину из ОКБ-256 разработать планирующий космический аппарат, который бы выводился на орбиту ракетой-носителем. В 1958 году эскизный проект космолета был готов. Увидев формы будущего изделия, Королев немедленно «окрестил» его «Лапотком».
«Лапоток» мог совершать орбитальный полет на протяжении 24–27 часов, маневрировать на орбите, а после планировал вниз. В верхних слоях атмосферы аппарат использовал подъемную силу, возникающую за счет формы его корпуса, а на высоте 20 км раскрывал крылья и совершал посадку «по-самолетному».
Однако продувки макета в аэродинамической трубе показали: вопросы теплозащиты такого устройства гораздо сложнее, чем казались на первый взгляд. Чтобы «лапоток» полетел, необходимы были доработки проекта, постройка полноразмерных макетов и несколько пробных полетов аппаратов-аналогов. А в космос надо было прорваться как можно быстрее. Поэтому выбор пал на корабль-капсулу.
Путь на орбиту был избран. Однако это не значило прекращения работ по иным, «неракетным» направлениям. Впрочем, это уже другая история…
