Рис. 1. Вильгельм Теодор Унге
В Швеции, как и в большинстве европейских государств, первые пробные шаги в области ракетной техники, начиная с 1810 г., были связаны с использованием на практике ракет Конгрева. Однако гигантские шаги вперед были сделаны Вильгельмом Теодором Унге в конце XIX в., который начал свою деятельность в области ракетной техники примерно одновременно с К. Э. Циолковским в России и на 10 лет раньше Р. X. Годдарда в США.
В. Т. Унге родился в 1845 г. в Стокгольме. В 1866 г. он закончил Технологический институт и начал свою военную карьеру. Унге проявил себя многообещающим молодым офицером и был переведен сначала в Военный институт, а затем назначен в Генеральный штаб.
Вскоре занятия техникой вытеснили все остальное в его жизни, и он начал карьеру изобретателя в области военной техники. Его первым запатентованным в 1887 г. изобретением был дальномер, а вскоре он запатентовал целую серию новшеств в автоматической винтовке.
В конце 80-х годов XIX в. Унге заинтересовался артиллерией; он рассматривал применение ракет как возможный путь для развития артиллерии и использования нового высокоэффективного нитроглицерина в качестве боеголовки артиллерийских снарядов. В 1891 г. Унге познакомился с Альфредом Нобелем, который заинтересовался его идеями. В 1892 г. Унге создал, на паритетных началах с Нобелем и шведским королем, компанию «Марс». Главной задачей деятельности этой компании были разработка, изготовление и продажа изобретений капитана В. Т. Унге. В результате тесного сотрудничества Унге с Нобелем компания на деле вскоре переросла в мастерскую для практического воплощения его идей.
Вся эта работа финансировалась Нобелем до самой его смерти в 1896 г., а затем в течение еще пяти лет велась за счет имущества покойного. В течение первых пяти лет Нобель вложил в предприятие «Марс» около 20 тысяч долларов.
Первая ракета, испытанная в 1892 г. (рис. 2а), была изготовлена из желтой меди; длина ракеты 150 мм, диаметр 20 мм, толщина стенки корпуса ракеты 1 мм. Коническая область горения была направлена своим основанием на верхнюю часть ракеты, что обусловливало при разгоне ракеты необходимость разворота газового потока на 180°. Поворот газового потока обеспечивался куполом в верхней части ракеты. Наибольшим недостатком этой ракеты было нагревание купола и даже самого корпуса ракеты во время разворота газового потока. Кроме того, как выяснил Унге, этот тип ракеты был уже запатентован в Англии.
 Рис. 2. Ранние ракеты Унге; а — первая ракета, испытанная в 1892 г.; b — второй тип ракеты с двумя выхлопными трубками и одной камерой сгорания (диаметр 50 мм, длина 300 мм); с — третий тип ракеты, с двумя камерами сгорания; d — тип ракеты с цилиндрическими наклонными выхлопными отверстиями; е — модификация ракеты с коническими, наклонными выхлопными отверстиями. |
Другие два типа ракет очень напоминают ракеты В. Гейла, хотя в одном из них было вместо трех выхлопных трубок лишь две. У ракет первого типа (рис. 2b) выхлопные трубки вырезались вдоль центральных осей с противоположных сторон и сгибались на концах, образуя «лопасти», заставляющие ракету вращаться при истечении газа. К сожалению, скорость вращения была недостаточно высокой для обеспечения стабилизации ракеты, и положение не было исправлено использованием двух камер сгорания внутри ракеты (рис. 2с). Для того, чтобы стабилизировать полет ракеты в начальной части траектории, трубчатую пусковую установку заменили вращающейся. Прибегали к различным методам обеспечения вращения, но ни один из них не оказался достаточно эффективным.
Были испытаны новые модели, и одной из наиболее важных деталей стали наклонные выхлопные отверстия. Первоначально это были одномерные толстые патрубки (рис. 2d), но вскоре Унге нашел решение для запуска ракет с коническими патрубками (рис. 2е). Ракета первого типа была уже запатентована Гейлом, и, кроме того, она не отвечала требованиям, которые предъявляли к ней Унге и Нобель. Модифицированный тип ракеты был также снабжен направляющей трубкой длиной примерно 300 мм. Такое усовершенствование напоминало ракеты Конгрева с их «направляющими планками», хотя на самом деле конический патрубок как раз и был первым шагом к окончательному решению проблемы стабилизации ракеты путем вращения.
Несколькими годами раньше (в 1888 г.) Г. Лаваль выполнил первые наброски схемы, которая впоследствии стала известна как «сопло Лаваля», а в 1889 г. это изобретение было запатентовано*. Эта новая идея, указывавшая на возможность получения максимума работы от потока пара под давлением, была вскоре освоена и Унге. Его поиски путей для обеспечения стабилизации вращения ракет завершились блестящими результатами, когда он в 1896-1897 гг. сконструировал свою турбину, которая схематически показана на рис. 3 (шведский патент 10 257).
* Англ. патент 7143 от 29 апреля 1889 г. — прим. ред.
Описание патента проливает свет на те идеи Унге, которые позволили ему стать автором этого выдающегося изобретения. Его газовая турбина была снабжена выхлопными отверстиями, рассчитанными таким образом, чтобы создавать наиболее приемлемое давление для самовозгорания. Закругленная центральная полость турбины переводила центральный газовый поток из камеры сгорания в полую струю, распределявшуюся по периферии турбины без скачков. Два или больше газовых канала, проходившие через турбину, должны были «состоять из конического входного канала (а) и подобного же конического выходного канала (b), сечения которых уменьшаются и в точке (с) являются минимальными». Так говорится в патентном описании сопла Лаваля. Даже несмотря на то, что схема Унге весьма несовершенна, это был первый случай использования принципа Лаваля в ракетостроении, тот самый случай, когда изобретатель понял, зачем он использует этот принцип в ракете. Эта газовая турбина была запатентована в 12 странах.
Расчет скорости газа в выходном сечении этой турбины, приведенный в записных книжках Унге, дает значение числа М = 2,9. При расчете размеров и параметров турбины Унге исходил из предположения об адиабатическом расширении, реализуемом во всех трех типах ракет, которые он разрабатывал.
Его изобретение оказалось настолько эффективным, что отпала необходимость во вращающейся пусковой установке. Поэтому Унге запроектировал новый тип легковесных пусковых трубок, представлявших собой простой ряд цилиндрически смонтированных направляющих планок (рис. 4). В результате упрощения конструкции пусковой трубки отпала практическая необходимость в полевых операциях и были сняты все ограничения с проектирования больших ракет.
Название «воздушная торпеда» было впервые официально применено в патенте 1897 г. Через два года после этого изобретения Лаваль присоединился к компании «Марс», что еще раз подтверждает тот факт, что Унге был и раньше знаком с принципом работы сопла Лаваля благодаря более ранним контактам с изобретателем этого принципа.
Решая проблему стабилизации полета, Унге уделял внимание и вопросам усовершенствования ракетного топлива. В первых типах ракет Унге использовал топливо, состоящее из обычного оружейного пороха, затем в сотрудничестве с Нобелем он проводит целый ряд экспериментов для того, чтобы улучшить качество баллистита (бездымного пороха), изобретенного Нобелем в 1888 г. Первый из известных удачных запусков ракеты с баллиститом (рис. 5) состоялся 12 сентября 1896 г. в Стокгольме.
Завершив проект газовой турбины и выполнив целый ряд испытаний с ней, Унге пришел к выводу, что баллистит — трудноуправляемое топливо и, что самое важное, он производит меньше газа, чем оружейный порох. Результаты опытов с баллиститом заставили изобретателя вернуться к прежнему составу топлива; 78,3% селитры. 8,4% серы и 13,3% углерода. Позднее этот состав был изменен следующим образом: 81,3% селитры, 5,4% серы и 13,3% углерода. Такие пропорции, определяя полное преимущество турбины, ставили перед Унге еще одну задачу. Оказалось невозможным обеспечить хранение заряженных ракет ввиду того, что топливо усаживалось и трескалось в процессе хранения; это приводило к взрыву вследствие возрастания площади, подверженной горению. Первая идея — использовать для поглощения влаги гипс — оказалась бесплодной, так как хотя гипс и расширяется, вбирая в себя влагу, он через 3-4 дня все равно усыхает.
Испытания, проводившиеся в течение двух лет на пороге нового века, в конце концов позволили решить проблему хранения топлива: с примесью 0,1-0,6% нелетучего масла топливо всегда сохраняет свойство расширяться после сжатия в корпусе ракеты. Для предотвращения расширения заряда вдоль центральной оси ракеты сразу же после введения топлива в корпус ракеты с тыльного подхода топливного заряда незамедлительно крепится по той же геометрической форме пластина. Этот способ был запатентован в большинстве стран в 1903 г.
Для усовершенствования производства ракет топливо в его окончательной форме изготовлялось в виде небольших цилиндрических патронов, завернутых в бумагу или войлок, смоченный маслом (рис. 6 и 7). Такая упаковка служила тройной цели: в первую очередь для того, чтобы придать эластичность заряду при закладке его в корпус, во-вторых, для защиты топлива при транспортировке и обращении с ракетой и, наконец, для теплоизоляции заряда. Заряженные таким образом ракеты могли храниться годами, не поддаваясь температурным колебаниям в диапазоне от -25° до +30°С и сохраняя боеспособность. Унге успешно испытывал такие заряды на теплостойкость в диапазоне от -20° до +80° С. Применение газовой турбины и удобного для хранения топлива стимулировало также повышение давления в камере сгорания; это последнее обстоятельство заставило Унге отказаться от желтой меди в качестве материала для корпуса ракеты. Он стал применять сталь — материал, который способен был выдержать высокое давление.
Однако все вышеперечисленные усовершенствования еще не гарантировали полного успеха в запуске ракет. Ракеты часто внезапно меняли заданное направление движения даже в начале траектории. Причиной таких отклонений было то, что внутри пускового цилиндра ракета вращалась вокруг геометрической оси, но как только ракета покидала этот цилиндр, она начинала вращаться вокруг оси, проходящей через ее центр тяжести. И в тех случаях, когда эти оси не совпадали, изменение положения оси вращения вызывало колебания, амплитуда которых увеличивалась пропорционально скорости вращения.
Решение этой трудной проблемы было найдено с исключительной легкостью — в центре тяжести ракеты или вблизи него крепилось балансирующее кольцо из меди или латуни (рис. 8). Внешний диаметр этого кольца был достаточно большим, чтобы наконечник или турбина не касались стенок цилиндра в то время, когда ракета раскачивалась внутри него во время вращения. Таким образом, ракета могла вращаться вокруг оси, проходящей через ее центр тяжести, приближаясь к стабильному положению даже в том случае, если первые обороты не соответствовали геометрической оси.
Вследствие несовершенства технологии изготовления ракет того времени центр внешнего диаметра балансирующего кольца, по-видимому, не всегда оказывался на оси, проходящей через центр тяжести. Поэтому балансирующее кольцо, имевшее пилообразный профиль и изготовленное из мягкого материала (такого, как медь или латунь), должно было быстро изнашиваться во время вращения, а центр внешнего диаметра приближаться к оси, проходящей через центр тяжести.
Наконец, работы по изготовлению ракеты были завершены (рис. 9) и ее испытания показали при стрельбах большую точность. Максимальная дальность полета 10-сантиметровых ракет составляла 4 км, а 30-сантиметровых 7 км. Покрываемая площадь составляла прямоугольник 100 мХ50 м (50 м по направлению траектории). Ниже приводятся некоторые характеристики этих ракет.
| Ракета | Вес (кг) | Пусковая установка | |||||
| Модель | Диаметр (см) | Длина (см) | Заряд (кг) | Топливо | Общий | Длина (м) | Вес (кг) |
| 1905 1909 1905 1905 | 10 10 20 30 | 90 88 155 235 | 2 4,1 15,8 58,0 | 4,4 5,5 30,9 116,0 | 17 18,3 135,5 | 2,5 1,7 4,6 7,0 | 64 66 236 708 |
 Рис. 9. Двадцатисантиметровая ракета 1905 г.: 1 — корпус ракеты; 2 —. заряд; 4 — закругленный верх; 5 — верхнее покрытие; 6 — балансирующее кольцо; 7 — нарезка для обшивки топлива во время хранения; 8 — промежуточная стенка; 12 — кольцо, с помощью которого осуществляется передача двигательной тяги от турбины к корпусу ракеты; 13 — кромка, на которой крепится турбина; 14 — турбина; 15 — выхлопные отверстия; 16 — пространство для запала; 17 — покрытие запала; 18 — опорная стойка запала; 19 — округленная центральная часть турбины; 20 — канал запала; 21 — кольцо для крепления крайней пластинки; 22 — крайняя пластинка камеры сгорания; 24 — патронная сумка; 25 — камера сгорания; 26 — конусообразное окончание камеры сгорания; 28 — кромка для крепления фетровой (29) и деревянной (30) пластин; 31 — взрывчатый заряд; 33 — взрыватель; 34 — кольца для поддержания зарядного устройства1 |
1 В оригинале отсутствуют наименования и обозначения некоторых позиций (3, 9, 10, 11, 23, 27) — прим. ред.
Для различных целей горной и легкой артиллерии были запроектированы новые типы пусковых цилиндров. Цены на ракеты варьировались между 60 долларами за 10-см ракету и 600 долларами за 30-см ракету. Цилиндр для 10-см ракеты стоил около 240 долларов. В производстве шведских ракет были заинтересованы в то время некоторые зарубежные страны, однако это предприятие так и не получило большой поддержки в основном из-за безразличия военных властей Швеции.
Работами Унге особенно заинтересовалась немецкая компания Фридриха Круппа в Эссене и в 1908 г. Крупп приобрел все 7 патентов, а также большую серию его ракет, которые предполагалось испытать на полигоне в Меппене (Германия). Несколькими годами позже Крупп прекратил эксперименты с ракетами Унге из-за их неточности (эти сведения основываются на неподтвержденной информации, полученной Унге от Круппа).
Потеряв поддержку Круппа, Унге продолжил начатые им в 1907 г. опыты по разработке и изготовлению спасательных ракет, которые принесли ему еще два новых патента: один для новой системы зажигания и другой для «улучшения или относительно способов установления связи соединительными линиями или кабелями для вращательных снарядов при переброске их по воздуху» (шведский патент 26 991 получен в 1908 г.). Испытания по запуску были проведены не только в Швеции, но также в Англии для Министерства торговли, и Унге сумел продать некоторые из этих спасательных ракет в Англии, Индии, Австралии и Греции. Вес системы, включавшей одну ракету (на основе 10-см ракеты), 400 м провода, держатель провода, передвижную установку и пусковую установку, составлял 105 кг, радиус действия — 300 м, с очень хорошей точностью, даже в шторм. Стоимость установки составляла от 80 до 100 долл.
Унге затратил большие усилия на улучшение методов производства ракет. Способ удешевления изготовления корпуса ракеты был разработан им в 1912 г. Корпус ракеты, турбина и передняя стенка камеры сгорания были спрессованы вместе с окончательной формой топливного заряда при помощи гидравлического пресса, а затем стальная лента была обернута вокруг заряда и прикреплена своими концами к турбине и передней стенке при помощи болтов. Другая идея, экспериментальное подтверждение которой прошло успешно, заключалась в изготовлении элементов очень дешевой турбины из огнеупорной глины. Большинство ракет меньшего размера, испытывавшихся после 1912 г., изготовлялись с такой турбиной. Турбина также была модифицирована для того, чтобы обеспечить большую тягу: было сделано коническое отверстие в центральных частях турбины. Размеры 10-см ракеты были изменены, и новая модель имела размер 10,3 см. Новые идеи использования ракет были предложены Унге, когда он стал определять, каким образом тяжелые пулеметы на бронированных судах могут быть заменены батареями с его (Унге) воздушными торпедами. Были предложены также улучшенные батареи для военных кораблей и для дирижаблей. Однако большинство экспериментальных работ в 1913—14 гг. проводилось со спасательными ракетами.
Одна из последних идей Унге касалась системы пуска и управления ракет, самолетов и дирижаблей, приводимых в движение силой реакции истекающих газов. К сожалению, эта идея, которую Унге не развил, навсегда осталась секретной, так как ее можно найти только в заявке на патент в 1909 г.; эта заявка осталась секретной, согласно патентному закону того времени.
Вильгельм Теодор Унге, оставивший армию в чине подполковника, умер в 1915 г. Впоследствии, в 1917 г. компания «Марс», возглавляемая его сыновьями, пришла в упадок и в 1922 г. была ликвидирована.
1. W. Т. Unge. Fliegender Torpedo. Stockholm, 1907.
2. Патенты Швеции № 5596, 10036, 10257, 19113, 19130, 19417, 19946, 26814 и 26991.
3. Записные книжки В. Т. Унге за 1899—1904 гг. Архив Шведского королевского военного музея.
4. Переписка В. Т. Унге с А. Нобелем за 1891—1896 гг.