Пути осуществления космических полетов
Космонавтика, сколь ни велико было ее будущее, не могла в 20-е годы прокормить ни одного человека. А у Оберта была семья: жена, дети. В 1922- 1924-х годах Оберт преподает в Шессбурге в разных учебных заведениях, в частности, физику в той самой гимназии, которую сам закончил до войны. Но даже ведя уроки по физике, Оберт умудрялся при всяком удобном случае рассказывать гимназистам о будущих полетах к Луне, и его ученики желали только одного - слетать в свое время на Луну.
Позже обстоятельства сложились так, что в 1925 году Оберт был вынужден переехать в Медиаш - город, расположенный в тех же краях, что и Шессбург, где ему предложили место преподавателя физики и математики в местной гимназии. С 1925 года Медиаш надолго стал местом его постоянного жительства, тем более, что через два года туда же перехал и его отец. Медиаш был много больше маленького Шессбурга, и в свое время это положительно скажется на работах Оберта. Пока же он учитель гимназии, правда уже широко известный ученый в новой для человечества области. И это опять сказалось на его учениках. Скоро они тоже стали "большими знатоками" проблем лунной экспедиции, иногда в ущерб школьной программе.
Живя и работая в Медиаше, Оберт не оставляет активной работы в области космонавтики. Правда, теперь она приобретает несколько иной характер. Его книга опубликована и он вступает в оживленные контакты со многими людьми. Ему в Медиаш пишут Циолковский, Годдард, Эсно-Пельтри, Гансвиндт и наряду с этими уже известными учеными и изобретателями молодые энтузиасты, желающие немедленно приступить к практическим работам, среди последних Макс Валье1. Медиаш становится своеобразным центром, в котором перекрещиваются пути многих будущих деятелей ракетной техники.
1Здесь дано принятое у нас написание его имени, сам же он произносил его на немецкий лад — Валир.
Медиаш. Слева здание гимназии, в которой преподавал Оберт
Валье, после прочтения книги Оберта, в течение 1924-1927-х годов делал все возможное, чтобы идеи межпланетных полетов захватили общественность. Прежде всего он пишет научно-популярную книгу "Полет в мировое пространство", постоянно советуясь с Обертом по теоретическим вопросам. В 1925 году она выходит из печати, быстро раскупается, и в том же году выходит второе издание, теперь с предисловием Оберта. После крушения надежд на получение денег от банкира Бартеля, Валье пытается найти другой источник для финансирования начала работ по ракетной технике. Он пишет многочисленные статьи в иллюстрированных журналах и ежедневных газетах. Среди подрастающего поколения его статьи вызвали большой интерес, а двум тогдашним гимназистам -Зенгеру и Вернеру фон Брауну - определили путь в жизни. Валье предлагает Оберту поэтапное осуществление идеи межпланетного полета, что должно, по мнению Валье, облегчить финансирование: сначала осуществлять наземные ракетные экипажи, затем ракетный самолет и лишь потом космический корабль.
Оберт придерживается другого мнения. Поэтапность должна выглядеть так: сначала небольшая высотная ракета (с научными приборами для изучения атмосферы), потом ракета дальнего действия (сейчас бы мы сказали баллистическая ракета) и лишь затем космическая. Жизнь подтвердила правоту Оберта. Это расхождение по принципиальным вопросам привело к тому, что общение Оберта и Валье со временем прекратилось.
Неиссякаемая энергия Валье позволяет ему склонить известного автомобильного фабриканта Опеля финансировать изготовление и испытания наземных ракетных экипажей - в марте 1928 года демонстрируется ракетный автомобиль, в том же году ракетная дрезина и затем ракетные сани. Все эти "ракетные экипажи" приводились в движение ракетами на твердом топливе, они были очень далеки от межпланетной идеи, основой которой должно было быть использование жидкого топлива. Надо сказать, что Оберт считал Валье технически недостаточно подготовленным, а его эксперименты опасными, о чем он последнему говорил. Позже, в январе 1930 года уже без Опеля Валье начинает экспериментировать с жидкостными ракетными двигателями. Вероятно, он начинал следующий шаг своего поэтапного движения к далекому космическому будущему: ведь там будут нужны двигатели на жидком топливе. Готовя свой двигатель к публичной демонстрации, он погиб при его взрыве. То была первая (к сожалению, не последняя) жертва на пути, ведущем человечество в космос.
Не только Валье, но и многие другие энтузиасты включились в общее дело. Выше уже назывался Гоман, здесь можно добавить Нордунга и многих других. В 1927 году Винклер организует "Общество межпланет-сообщений" (Verein fur Raumschiffahrt), число членов которого достигало 1000 человек. Это было интернационально признанное общество, его членами были Эсно-Пельтри, Н.А. Рынин, Гоман, Валье и, конечно, Оберт. Очень важным было то, что это общество стало выпускать ежемесячный журнал "Ракета" - первый в мире журнал, посвященный ракетно-космической технике. В январском номере 1928 года он знакомит западного читателя с Циолковским и его работами. В "Ракете" помещаются, наконец, возражения Оберта на критику его работ, появлявшуюся в "солидных" журналах, которые отказывались помещать эти возражения на своих страницах.
Для дальнейшего продвижения Оберту нужны эксперименты. Только они были способны обосновать некоторые утверждения, имевшиеся в его книге. Однако экспериментирование стоит денег, а они отсутствовали. Отчаявшись найти источник финансирования, Оберт начинает опыты в гимназии, воспользовавшись возможностями, которые ему представляли учебные мастерские. Он решил свои первые опыты посвятить обоснованию утверждения, что подбором нужных компонентов топлива можно резко повысить скорость истечения продуктов сгорания из сопла. Простой испытательный прибор, позволявший измерять расход топлива и возникавшую реактивную силу, открывал возможность вычисления скорости истечения газов. В своих экспериментах Оберт получил для спирто-кислородного топлива скорость 3400 м/с, в то время как водородно-кислородное топливо показало скорость истечения 4200 м/с. Эти данные сегодня подтверждены многочисленными опытами и всей практикой ракетной техники.
Оберт сообщил о полученных результатах в Вену, в имевшееся там "Общество по изучению мирового пространства", надеясь получить финансовую поддержку. Венский ученый, доктор Карл Вольф, утверждавший, что скорость истечения не может быть больше 2000 м/с назвал Оберта "мошенником". "Общество" попросило Оберта прислать свою установку в Вену, для проведения контрольных экспериментов, но он на это не согласился.
Его попытки получить пусть самую скромную финансовую поддержку, никакого успеха не имели ни в тот момент, ни потом. Тем более, что под влиянием его книги и его в конце концов удавшегося единичного опыта с жидкостным ракетным двигателем (речь об этом ниже) ракетчики-энтузиасты со временем начинают свои опыты и без него. Выше уже говорилось о Валье, обратившемся к применению жидкого топлива для наземных экипажей после упомянутого опыта Оберта. И Винклер тоже начнет работать с жидкостными ракетными двигателями. Он получает финансовую поддержку профессора Юнкерса, руководителя известной самолетостроительной фирмы. Возникает естественное недоумение - почему финансовую поддержку будут находить Валье и Винклер, но не Оберт, безусловно более знающий и более опытный человек? Одной из причин, вероятно, немаловажной, являлось то, что он был "румын",™ обстоятельство, попортившее ему немало крови еще в студенческие годы. В результате, в 1931 году в воздух поднимется первая в старом" свете жидкостная ракета конструкции Винклера, а не Оберта.
Вернемся, однако, к концу 20-х годов. В условиях медиашского одиночества, безденежья и полной бесперспективности Оберт, побуждаемый своим издателем Ольденбургом, готовит теперь третье издание книги однако настолько расширенное и улучшенное, что, по сути, это новая книга. Она много больше по объему, и многие вопросы рассмотрены в ней более подробно. Кроме того, автор решил сделать книгу менее конспективной и более общедоступной. В результате, возник новый фундаментальный труд по космонавтике под новым названием "Пути осуществления космических полетов". В самом начале 1928 года рукопись была готова и передана издателю. Первое издание этой книги выходит в 1929 году [2; 4].
На этот раз книга была встречена не только с большим интересом, но и с практически повсеместным признанием ее значимости и правильности. Критики поумолкли, поскольку в новой книге Оберт дал достойную отповедь тем, кто ополчался на его первую книгу. Известную роль сыграла в этом и реакция на книгу такого известного не только в авиационных кругах ученого, как Эсно-Пельтри.
Эсно-Пельтри сделал свой первый доклад, посвященный возможности межпланетных полетов с использованием ракет, в ноябре 1912 года. Этот доклад носил, правда, странное наименование "Соображения о результатах неограниченного уменьшения веса двигателей", автор явно хотел, как он сам позже говорил, соблюдать осторожность и скрыть истинный смысл доклада. Когда в начале 20-х годов в научной и научно-популярной литературе начался "межпланетный бум", Эсно-Пельтри вернулся к межпланетной тематике и в июне 1927 года делает на заседании французского асторономического общества доклад "Исследование верхних слоев атмосферы при помощи ракет и возможность межпланетных путешествий", который был опубликован в 1928 году в виде книги под названием "Астронавтика". Во введении к этой публикации он говорит о том, что работы Оберта и Гомана стали ему известными лишь в январе 1928 года. Знаменательно то, что работу Гомана он ставит явно выше книги Оберта, что, конечно, несправедливо. Мне представляется это связанным с тем, что Оберт и Эсно-Пельтри приходят к прямо противоположным конечным выводам. Оберт считает пилотируемый полет к Луне выполнимым уже в наше время, Эсно-Пельтри доказывает обратное. По мнению последнего, пилотируемые полеты к Луне станут реальностью только после овладения человечеством внутриядерной энергией. В заключении своей работы Эсно-Пельтри пишет: "Из всего сказанного видно, что мы еще далеки от осуществления межпланетных сообщений - и даже от полета на Луну".
Позже, безусловно под влиянием появившейся литературы и, в частности, работ Оберта, он изменяет свое мнение. После 1930 года в его книгах можно встретить утверждение: "Современное состояние техники заставляет полагать автора настоящей книги, что полет на Луну с последующим возвращением на Землю может быть осуществлен в течение ближайших десяти лет". Если в 1928 году Эсно-Пельтри отодвигал полет к Луне в неопределенно-далекое будущее, то теперь он явно переоценивает возможности техники своего времени.
Именно в момент переоценки своих многолетних (с 1912 по 1928 год) представлений появляется новая книга Оберта "Пути осуществлениякосмических полетов". Теперь Эсно-Пельтри не может скрыть своего восхищения и называет книгу "библией научной астронавтики". В 1928 году Эсно-Пельтри и банкир Гирш установили денежную премию, которую следовало регулярно присуждать за наиболее выдающиеся работы по астронавтике. Присуждало премию Французское астрономическое общество. На соискание этой премии были поданы многие работы, среди них труды известных пионеров космонавтики, в том числе Гомана, но первым лауреатом премии стал Оберт, она была присуждена ему за "Пути осуществления космического полета". Учитывая выдающиеся качества книги автору была присуждена удвоенная премия, не 5000, а 10000 франков. Оберт еще успевает буквально в последний момент поместить на последней странице своей новой книги сообщение о присуждении ей премии Эсно-Пельтри-Гирша. Не подлежит сомнению, что это краткое сообщение тоже умерило пыл научных противников Оберта и его идей, ведь премия присуждалась такой всемирно известной научной организацией, как Французское астрономическое общество.
Что новое несла книга 1929 года по сравнению с изданием 1923 года? Ведь даже внешне она сильно отличалась от своей предшественницы. Если первое издание содержало 92 страницы текста, то теперь ее объем вырос до 423 страниц. Выше уже говорилось, что это увеличение объема книги частично объясняется тем, что автор отходит от конспективности при изложении своих идей. Это было необходимо, так как частично критика, обрушившаяся на книгу 1923 года, связана с непониманием ее текста. Даже друзья и сторонники идей Оберта, такие как Валье, Нордунг и некоторые другие допускали в своих статьях ошибки, которые Оберт не всегда успевал поправить. Поэтому подробное и более доступное изложение, чем в книге 1923 года представлялось весьма полезным.
Кроме того, желая сделать чтение книги интересным и для неспециалиста, он помещает в ней отрывки из своих, как он их называет, новелл, где описываются переживания космонавтов. Так, перед тем как приступить к научным проблемам создания лунной ракеты (модель Е) он считает нужным дать новеллу о полете к Луне. Интересно отметить, что в этой новелле Оберт дает читателю и научную информацию. Так, в начале, он описывает предшествующий пилотируемому полету беспилотный пуск космического корабля на высоту 4200 км для проверки системы автоматического управления кораблем и испытания научной аппаратуры. (Этому пуску предшествовали полеты маленьких ракет, на которых велась отработка нужных систем.) После беспилотного испытания большой лунной ракеты, подъем на высоту 5000 км совершил космонавт, чтобы убедиться в работоспособности систем ручного управления. Перед космическим полетом будущие космонавты проходят тренировку на гигантских центрифугах. Все это довольно точно соответствует и современной подготовке к пилотируемым космическим полетам. Далее описывается старт космического корабля, полет, работа и еда в невесомости, даже использование пилюль скополамина для подавления возникшей от невесомости "космической болезни" (как видно, опыт санитара-фельдфебеля не прошел даром). Оберт считает полезным ввести в книгу отрывок не только из своей новеллы, но и из романа Гайля "Камень с Луны". Все это делается для того, пишет Оберт, чтобы читатель перед чтением научной части главы, описывающей лунную модель Е, почувствовал образ мыслей и переживания космонавтов.
Само собою разумеется, что основной причиной увеличения объема книги явилось не столько более подробное изложение старого материала и описанные выше "лирические отступления", сколько новые результаты, полученные Обертом за пять лет, протекшие между первым и третьим изданием книги. Целый ряд разделов книги 1923 года он существенно переработал. Так, например, если раньше введенная Обертом наивыгоднейшая скорость полета определялась для вертикально взлетающей ракеты, то теперь это делается для ракеты, совершающей наклонный подъем. Далее, в начале главы "Энергетические условия" дается подробный анализ того, какая часть энергии истекающих газов сообщается ракете и как эту долю увеличить. Приведенные в главе выкладки, имеют главной целью внести ясность в вопрос, в котором путались многие энтузиасты ракетного дела. Однако главным достижением Оберта в этом разделе динамики ракет следует считать предложенную им синэргическую траекторию подъема и разгона космической ракеты. Никто до Оберта не рассматривал столь тщательно вопроса об оптимальных траекториях космических ракет, стартующих с Земли и переходящих на заданную космическую орбиту. Оптимальность Оберт понимает как получение максимального конечного эффекта при заданном количестве топлива (или, если угодно, получение заданной орбиты при минимальном расходе топлива).
Синэргическая траектория состоит из четырех участков. Первый -прямолинейный и крутой подъем, затем постепенный переход к горизонтальному полету, затем разгон при движении на постоянном расстоянии от центра Земли (такое движение можно условно назвать горизонтальным полетом) до круговой скорости, и последнее - дальнейший разгон, если он необходим. До Оберта практически всегда рассматривался вертикальный подъем космических ракет, казалось бы наиболее естественный для удаления от Земли в космос.
Основная идея полета по синэргической траектории заключена в горизонтальном (без удаления от Земли) разгоне. Как хорошо известно, космический полет начинается с достижения круговой скорости, очень большой для полета в атмосфере из-за огромного воздушного сопротивления. Поэтому выгоднее всего быстро, но не слишком разгоняясь, поднять ракету за пределы атмосферы и там начать разгон. При этом взлетать следует в направлении на восток, чтобы добавить к горизонтальной скорости ракеты скорость вращения Земли. Чтобы тратить топливо именно на разгон, не следует при этом увеличивать высоту полета, тогда ни капли топлива не надо будет расходовать на преодоление силы притяжения Земли при подъеме. Эта идея чрезвычайно плодотворна. И сегодня все космические ракеты взлетают и разгоняются следуя этой схеме. Правда, сегодня старт осуществляется строго вертикально, а не под отличным от прямого углом (пусть и крутом) по отношению к поверхности Земли. Это связано, в частности, с тем, что при вертикальном положении ракеты перед стартом легче удовлетворить требованиям ее прочности и, кроме того, при наклонном старте резко усложнились бы и без того громоздкие наземные стартовые сооружения. Оберт не предложил вертикального старта скорее всего потому, что хотел сразу видеть положение ракеты таким, чтобы вектор ее веса был направлен не строго вдоль оси ракеты, а имел бы, пусть и небольшую, боковую составляющую. Тогда эта составляющая (тяга ракетного двигателя при этом направлена строго вдоль оси ракеты) стала бы постоянно искривлять траекторию полета, делая ее все более горизонтальной и как бы подводя ракету к ее главному разгонному горизонтальному участку. Так можно было бы получить синэргическую траекторию естественным путем. Сегодня все это делают автоматы управления полетом, осуществляя значительно более сложное управление.
В книге даны формулы для расчета движения по всем четырем участкам синэргической траектории. Всюду видно стремление автора найти оптимальное решение задачи разгона космической ракеты. Следует иметь в виду, что в 20-е годы еще не существовала теория оптимального управления, начавшая свое стремительное развитие в середине XX века, Поэтому было бы несправделивым упрекнуть автора в том, что он не решил полностью проблемы оптимального режима вывода на космические орбиты ракет. В то время, особенно если учесть, что тогда еще не существовали и компьютеры, другого и нельзя было бы сделать. Предложенная Обертом синэргическая траектория лежит в основе современных методов старта и разгона космических ракет. Она давала огромное преимущество по сравнению с другими траекториями, предлагавшимися тогда. В своей книге 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 км/с. Это очень большая экономия.
Проблема возвращения космического аппарата к Земле и его спуск на ее поверхность тоже занимает достойное место в книге. Оберт не претендует здесь на оригинальность. Ссылаясь на Валье, Гомана, Циолковского и Цандера (Эсно-Пельтри и Годдард вопросами возвращения н Землю не занимались), он описывает постепенное торможение атмосферой при планирующем спуске на Землю крылатого космического аппарата. Рассматривается им и весьма сомнительный вариант спуска на napашюте, раскрывающимся при еще космических скоростях в самых верхних слоях атмосферы. К сожалению, Оберт не знал, что в том же 1929 году Ю.В. Кондратюк в книге, выпущенной в Новосибирске, подробно обосновал и описал другой способ спуска космического аппарата на Землю с использованием торможения атмосферой, который будет применен в свое время на космических кораблях "Союз", "Джемини" и "Аполлон".
Целая глава книги посвящена вопросам стабилизации. В издании 1923 года эти вопросы затрагивались лишь мимоходом, здесь же достаточно подробно для 20-х годов (и что важнее - в основном правильно, как это показывает история ракетной техники) 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 последних измерений появляется возможность определять с нужной точностью движение центра масс ракеты. В качестве исполнительных органов предлагаются газовые рули. Они действительно применялись на первых больших ракетах.
Как и в издании 1923 года в отдельной части книги дается описание конструкций ракет, в основном модели В. Теперь оно более подробное: в издании 1923 года это была 21 страница, в том время как в новой книге 33 страницы. Точно так же и раздел, посвященный возможному применению ракет, вырос с 20 страниц до 158 страниц. Такое большое увеличение объема связано, в частности, с тем, что здесь приводится достаточно полное описание модели Е (межпланетного пилотируемого космического корабля) (рис. 3), в том числе обсуждаются опасности межпланетного полета - различные лучи в космическом пространстве, метеоритная опасность; предлагается скафандр для выходов в открытый космос и т.п. В значительной своей части в этом разделе идет свободное обсуждение вопроса, и это очень хорошо для столь обширной и в те годы еще совсем не разработанной темы.
Важной представляется и последняя глава книги, где рассматривается возможность создания элетрического космического корабля. Здесь предлагается получать реактивную силу за счет разгона до скоростей порядка 10-40 км/с ионизированных молекул. При этом за счет больших скоростей истечения (разгона) можно существенным образом уменьшить расход массы. В космосе масса "дороже" энергии, так как запасы первой невосполнимы, в то время как энергию можно получить за счет излучения Солнца.
Получение бортовой электрической энергии за счет Солнца чрезвычайно важная и плодотворная идея. В 20-е годы солнечные батареи (прямое преобразование энергии солнечных лучей в электрическую) еще не были известны, и Оберт предлагает получать ее непрямыми методами:
медиальные зеркала фокусируют солнечные лучи на паровом котле, пар вращает турбину, которая смонтирована на одной оси с электрофорной машиной. Совершенно естественно, что турбина работает по замкнутому циклу - сконденсированный пар снова подается в паровой котел.
Рис. 3. Проект двухступенчатой пилотируемой космической ракеты 1923—1929 гг. (модель Е).
В головной части ракеты находится парашют, а под ним кабина экипажа I. Наблюдение ведется с помощью перископов Р, направленных в разные стороны
Если перейти к общей оценке книги Оберта 1929 года, то прежде всего хочется отметить (как и для книги 1923 года) ее широту. Автор сделал попытку научно обосновать и показать возможность технической реализации всех сторон рождавшейся космонавтики. Ни один из пионеров космонавтики, оказавших решающее влияние на ее развитие: Циолковский, Цандер, Кондратюк, Эсно-Пельтри, Годдард, - не рассматривал проблему столь разносторонне. Создается впечатление, что Оберт не только отвечает новой книгой своим многочисленным критикам, но стремится ответить и другим, потенциальным критикам, возражения которых можно было ожидать с самых неожиданных сторон. Поэтому в его труде находим не только теорию космической ракеты, но и детально проработанные технические решения, не только физико-математические разделы, но и разделы, которые надо отнести к космической медицине и биологии (недаром сегодня представители этого нового направления в биологии и медицине относят Оберта к его основоположникам). Вопросы о пользе космонавтики не только для науки, но и для повседневных земных человеческих нужд тоже нашли свое место в книге. Даже боевое применение больших ракет рассматривается в ней. Вероятно, именно эта энциклопедичность и позволила Эсно-Пельтри назвать книгу "библией научной астронавтики", подчеркивая тем самым ее фундаментальность.
Конечно, дальнейшее развитие ракетной техники и космонавтики не всегда шло по пути, указанному Обертом. Ведь в 20-е годы еще не существовало электроники, а следовательно, - телевидения и компьютеров, без которых сегодня нельзя представить себе ни одну космическую программу. За прошедшие годы были созданы также новые конструкционные материалы и многое другое. Все это придало современной космонавтике своеобразные черты. Однако за этим своеобразием легко просматриваются основополагающие идеи, принадлежащие пионерам космонавтики, в частности, и Герману Оберту, изложившему их в книге "Пути осуществления космических полетов".
назад