100 лет первому полету ракеты Годдарда, который создал прорывные технологии в ракетостроении

16 марта, мы отмечаем ровно 100 лет одному из самых абсурдных, смешных и одновременно великих инженерных событий в истории человечества. Ровно век назад, в 1926 году, стартовала первая в мире ракета на жидком топливе.

Но самое эпичное в этой истории — не сам полет, а то, как один упрямый физик с паяльной лампой и трубками из асбеста технично унизил самых заносчивых медиа-экспертов своего времени.

Знакомьтесь: Роберт Годдард. Гений-одиночка, отец американской
космонавтики, которого вся страна считала поехавшим фантазером:

На черно-белой фотографии запечатлен Роберт Годдард в зимнем пальто и шляпе, стоящий на заснеженном поле. Одной рукой он держится за пусковую раму, внутри которой установлена тонкая ракета из металлических трубок с необычным расположением двигателя в верхней части. Авторы: Esther C. Goddard. Источник: Great Images in NASA.

За шесть лет до исторических событий, в 1920 году, уважаемая газета The New York Times выпустила разгромную редакционную статью, где раскатала Годдарда в пух и прах за его идею полета на Луну. Журналисты писали:

«Профессору не хватает базовых знаний, которые ежедневно вдалбливают в средних школах! В космосе вакуум, там нет воздуха, от чего его ракете отталкиваться?!»

Газетчики радостно прилепили ему кличку «Лунный сумасшедший», и все подхватили: ха-ха-ха, дурачок, иди учи физику.

Вакуумная камера и баллистический маятник
Годдард не пошел ругаться в газеты с пустыми руками. Как нормальный ученый, он решил доказать закон сохранения импульса аппаратно.

В лаборатории Университета Кларка он собрал вакуумную камеру, поместил туда пороховой заряд и баллистический маятник. Эксперименты показали железобетонный результат: в безвоздушном пространстве тяга не просто существует — она на 20% эффективнее, потому что атмосферное давление не мешает истечению выхлопных газов из сопла.

Но журналистам графики импульсов и формулы были неинтересны. Глас науки утонул в газетном гоготе. Тогда Годдард плюнул на пиар, пошел на задний двор фермы своей тёти Эффи в Массачусетсе и начал собирать «железо».

Вытеснительная подача и «Ошибка маятника»: гаражный хардкор 1926 года
Ракета 1926 года была шедевром инженерного минимализма, но скрывала в себе изящные физические решения и фатальные заблуждения.

1. Негиперголичное топливо и вытеснительная подача. Годдард выбрал революционную пару: бензин и жидкий кислород (LOX). Но турбонасосов тогда не существовало. Как заставить топливо течь вверх к двигателю на высоту трех метров против гравитации? Годдард применил первую в истории вытеснительную систему подачи. Жидкий кислород кипел при температуре окружающей среды, создавая в баке высокое давление. Годдард вывел трубку из кислородного бака в бензиновый, чтобы это же давление выдавливало бензин наверх. Так как бензин и кислород не воспламеняются при контакте (они не гиперголичны), для запуска требовался тот самый запал из спичечных головок прямо внутри камеры сгорания.

2. Проблема охлаждения. Температура горения этой смеси достигает 3000 °C. Почему стальное сопло Лаваля не стекло на грядки тёти Эффи? Ответ прост: полет длился всего 2,5 секунды. Годдард еще не успел изобрести регенеративное охлаждение (когда холодное топливо циркулирует в рубашке вокруг сопла, охлаждая его). Камера сгорания выжила исключительно за счет теплоемкости самого металла. Поработай она на 10 секунд дольше — двигатель бы прогорел и взорвался.

3. Сопло Лаваля. Главный секрет эффективности. До Годдарда обычные ракеты напоминали новогодние петарды — их КПД составлял жалкие 2%, а скорость истечения газов не превышала 300 м/с. Годдард первым в мире догадался математически рассчитать и прикрутить к камере сгорания сверхзвуковое сужающееся-расширяющееся сопло, придуманное Карлом Густавом де Лавалем для паровых турбин. В своих ранних стендовых испытаниях Годдард доказал, что это конвертирует тепловую энергию в кинетическую с невиданным КПД до 64%, разгоняя выхлопные газы до 2,4 км/с (около 8000 футов в секунду). Именно этот доказанный инженерный принцип он применил на своей жидкостной ракете 1926 года, что позволило скромной бензиновой смеси создать тягу, способную побороть земную гравитацию.

4. Ошибка маятника (Pendulum rocket fallacy). Годдард расположил двигатель на самом верху конструкции. Он искренне верил, что гравитация будет оттягивать тяжелые баки вниз, и ракета будет лететь ровно, как подвешенный маятник. На практике этот старт доказал классический парадокс ньютоновской механики. Ракета в активном полете ускоряется целиком, и гравитация действует на все ее части одинаково. Никакой «подвешенной» точки опоры нет. Аппарат вращается исключительно вокруг своего центра масс. Поскольку самодельные трубы не были идеально отцентрованы, вектор тяги не проходил точно через центр масс, создавая крутящий момент. Ракета неизбежно начала наклоняться и кувыркаться. Позже Годдард признает эту ошибку и первым в мире начнет разрабатывать гироскопические системы стабилизации и газовые рули.

«Циклограмма» старта: паяльная лампа на палке
А теперь оцените уровень техники безопасности при работе с легковоспламеняющимся бензином и чистым кислородом в 1926 году.

Никакой электроники, реле и дистанционных пультов. Запалом служил самодельный пиропатрон из обычных спичечных головок, установленный прямо внутри верхнего сопла. Клапаны баков открывались механически — с помощью длинных веревок.

Процедура старта выглядела так: ассистент Генри Сакс привязывал зажженную бензиновую паяльную лампу к длинной палке. Он тянулся этой палкой к верхушке ракеты, поджигал спичечный пиропатрон, затем резко дергал за веревки, открывая подачу кислорода и бензина в камеру сгорания. Бросал палку и со всех ног бежал прятаться за хлипкую деревянную дверь, заботливо подпертую бревном.

Сам Годдард сидел в сугробе за куском листового железа, как в окопе, с секундомером в руках.

«Пламя вырвалось, стоял непрерывный рев...» — сухо, но романтично записал позже Годдард в дневнике. — «Казалось, она сказала: "Я тут уже достаточно побыла, пожалуй, полечу куда-нибудь ещё"».

И она полетела!
На целых 2,5 секунды.
На жалкие 12,5 метров в высоту.
Прямо в промёрзшую капусту тёти Эффи, рухнув в 56 метрах от старта со скоростью 96 км/ч.

Тётя Эффи до сих пор не оставила комментариев (история умалчивает, отхлестала ли она племянника за сожженный урожай). Местные репортеры тоже промолчали — то ли Годдард хорошо всё убрал, то ли журналистам было лень тащиться за город смотреть на дымящуюся трубу.

В американском руководстве не оценили перспективности "игрушек" Годдарда.
Несмотря на многократные просьбы, он так и не получил поддержки от государства и был вынужден заниматься своими исследованиями на преподавательские заработки и на деньги спонсоров, которых постоянно не хватало.

Тем не менее, в 1926 - 1942 годах он с несколькими помощниками, работавшими "за идею", построил и испытал 35 различных ракет.

Несмотря на то, что эти ракеты делались, как говорится, "на коленке", в слабооборудованной мастерской и за копейки, в них были впервые применены многие технические решения, впоследствии ставшие классикой мирового ракетостроения.

Для стабилизации полета использовались газовые рули, работавшие от гироскопического автопилота, камера сгорания и сопло двигателя охлаждались компонентами топлива, а в 1936 году Годдард впервые построил и испытал многокамерный ЖРД.

В 1938 году он решил заменить вытеснительную систему подачи турбонасосами, что позволяло значительно облегчить ракету, однако не смог найти фирму, которая согласилась бы за небольшие деньги сделать соответствующий агрегат с необходимыми параметрами.

Наивысшего результата из всех годдардовских ракет достигло изделие L-B, которое 27 февраля 1937 года взлетело на высоту примерно 3000 метров.

Между тем, с начала 1930-х годов в Германии тоже велись аналогичные изыскания, причем там они имели щедрое государственное финансирование. На ракетную программу работали сотни инженеров и техников, обладавшие всем необходимым, вплоть до целых заводов. Неудивительно, что к концу десятилетия немцы намного опередили американского "кустаря-одиночку". Уже в декабре 1937 года ракета А-3 достигла высоты 12 км, а в 1942-м следующая модель А-4 поднялась на 83 километра и упала в 193 километрах от точки запуска.
Годдард о таких результатах даже не мечтал.

Позже Фон Браун на базе А-4 сделал боевую баллистическую ракету V-2, ставшую одной из технических сенсаций Второй мировой войны известную как Фау-2.

Весной 1945 года Годдард увидел захваченную немецкую баллистическую ракету Фау-2 в военно-морской лаборатории в Аннаполисе, штат Мэриленд, где он работал по контракту. После тщательного осмотра Годдард был убеждён, что немцы «украли» его работу. Хотя детали конструкции не были точно такими же и в целом она была более прогрессивной, чем самые успешные из годдардовских ракет, базовая схема Фау-2 была похожа, а важнейшей частью успеха изделия были непосредственные изобретения Годдарда: турбонасосный агрегат, завесное охлаждение стенок камеры сгорания и газовые рули, управляемые гироскопической инерциальной системой навигации.

Апофеоз медийного позора длиною в 43 года
Годдард умер в 1945-м, так и не дождавшись прижизненного триумфа. Журналистам NYT понадобилось целых 43 года медийного позора с момента того самого запуска в капусту, чтобы признать, что физику за 8 класс прогуливали именно они.

17 июля 1969 года — в день, когда исполинская ракета «Сатурн-5» миссии «Аполлон-11» уже несла людей к Луне (на секундочку, на жидкостных двигателях, придуманных Годдардом!) — The New York Times тихонько, в самом незаметном уголке газеты, напечатала крошечное извинение:

«Дальнейшие исследования подтвердили… ракета может работать в вакууме. Газета сожалеет об ошибке».

Никакого «Прости, Роберт, мы сломали тебе жизнь и заставили уйти в секретность». Никакого упоминания высадки на Луну. Просто сухое канцелярское «ну ладно, мы не знали третий закон Ньютона, бывает». Классика диванной аналитики!

Ровно 100 лет спустя, когда огромный Starship красиво и итеративно взрывается над океаном, а ступени Falcon 9 буднично садятся на хвост, вычисляя вектор тяги тысячами строк кода — это всё огромный пламенный привет от дяди Роберта из 1926 года. С его соплом Лаваля, жидким кислородом и паяльной лампой на палке.