В опубликованной в 1934 г. автобиографии Е. Зенгер писал: «Еще в средней школе в курсе физики рассматривались вопросы из области ракетной техники. После того, как в 1926 г. стало в основном известно о возможности применения ракетного двигателя в качестве силовой установки высокоскоростных стратосферных самолетов, я начал изучать эту проблему более серьезно».

В августе 1931 г. Зенгер начал обобщать результаты своих исследований, носивших до этого случайный характер, и изложил их в книге «Техника ракетного полета», изданной в Мюнхене весной 1933 г. Временно приостановив свои предварительные теоретические изыскания, Зенгер в 1933 г. начал проводить в Техническом исследовательском институте некоторые предварительные эксперименты по выбору материалов для реактивного двигателя. Осенью 1933 г. он предложил «Союзу друзей Высшей технической школы в Вене» краткую обоснованную программу «Модельных испытаний ракетного двигателя постоянного давления» для осуществления намеченных им практических работ. Далее была разработана и представлена к публикации достаточно четкая программа практического развития ракетного полета.

Фактически исходным пунктом деятельности Зенгера в области ракетно-космической техники послужил научно-фантастический роман, который он 7 февраля 1919 г. (в возрасте 13 лет) получил в подарок от своего учителя физики доктора Густава Шварцера. Это был появившийся в 1897 г. роман Курта Ласвитца «На двух планетах», который Рудольф Небель в своей книге «Ракетный полет», опубликованной в 1932 г., также упоминает как источник своего вдохновения [1, 2]. 28 января 1964 г., за несколько дней до смерти, Зенгер в интервью одному из корреспондентов сказал: «Да, мое знакомство с вопросами космического полета началось со школьной скамьи, когда мой учитель физики, любимцем которого я был, потому что проявил очень большой интерес к его опытам, подарил мне роман Курта Ласвитца «На двух планетах». ...Этот роман я прочитал, естественно, с пылающими щеками и после этого мечтал сделать что-либо подобное целью своей жизни. Но в то время никто — по крайней мере, в наших кругах — не думал серьезно о том, что можно сделать это своим жизненным призванием.

Серьезно я начал заниматься этими вопросами после того, как ознакомился с первой работой Германа Оберта. Я учился тогда в Высшей технической школе в Вене и как раз готовился к сдаче экзамена по механике, поэтому изучил этот предмет очень глубоко. Когда я начал просчитывать работу Оберта, то пришел к убеждению, что ко многому из написанного можно относиться всерьез. С этого момента я все больше и больше обращался к проблемам космического полета. При этом в Высшей технической школе я испытывал затруднение, состоявшее в том, что я изучал строительное дело и мне необходимо было значительно изменить направленность в обучении, приблизив его к области авиации и всего того, что к ней относилось».

Из этой исторической предпосылки, а также из склонности Зенгера к систематизации возможно становится ясно, почему он, в отличие от Берлинской исследовательской группы, не пытался просто строить одно— и многоступенчатые баллистические ракеты в соответствии с концепцией Оберта, испытывать их на практике и продолжать их дальнейшее усовершенствование, а в соответствии с австрийской традицией, установленной Геффтом и Валье, стремился к более плавному (последовательному) переходу — от воздушных полетов через полеты в стратосфере к постепенному проникновению в космос.

После смерти Зенгера в его научном архиве было найдено несколько разработанных на различных жизненных этапах «Жизненных программ», в которых он формулировал основные цели в различных направлениях своей деятельности, тщательно отделяя уже отработанные вопросы. Одна из наиболее ранних из найденных программ относится, по-видимому, к периоду 1929—1931 гг. Под рубрикой «Конструкции» он перечисляет следующие этапы развития: «Самолет для полетов в стратосфере — космическая лодка — орбитальная станция — межпланетный корабль — космический корабль»; а под рубрикой «Труды, основные работы» были запланированы книги: «Полет в стратосфере», «Космическая техника», «Биотехника» и философский роман «Der Weg nach Thule».

E. Зенгер, который под полетом в космос с самого начала подразумевал пилотируемый полет, рассматривал реализацию своего первого полета — стратоплана лишь как самый первый шаг к осуществлению этого полета, и этот этап он не хотел пропускать (как это произошло в действительности при дальнейшем развитии). В соответствии с профилем своей студенческой специальности инженера-строителя он начал свои работы с исследования конструкции корпуса и изучения его аэромеханических характеристик.

Среди трудов, упомянутых в первой «Жизненной программе» Зенгера, находится также набросок «Техники ракетного полета». На титульном листе был сделан подзаголовок: «Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук, представлена Е. Зенгером Высшей технической школе в Вене летом 1929 г. — «Техника ракетного полета (энергетическое исследование проблемы высотных полетов на ракетном самолете)». Набросок предусматривал четыре части: 1. Общие замечания. 2. Подъем. 3. Свободный полет. 4. Спуск. В нем не рассматривались вопросы, касающиеся двигательных установок.

О судьбе этого наброска диссертации, который он сделал сразу после сдачи 27 июня 1929 г. второго государственного экзамена с оценкой «отлично», Е. Зенгер сообщает в своем последнем интервью в 1964 г.:

«Я хотел тогда через несколько лет подготовить докторскую диссертацию в области космических полетов. Тогда мой очень благоразумный старый учитель Катцмайер, у которого я в то время изучал аэронавтику, сказал мне: «Я уверен, что будет намного практичнее, если вы напишете свою докторскую диссертацию в одной из классических областей. В таком случае все пройдет гораздо проще. Если Вы попытаетесь сейчас написать докторскую диссертацию в области космических полетов, то Вы, вероятно, станете уже старым человеком с длинной бородой, прежде чем получите докторскую степень».

5 июля 1930 г. Зенгер успешно защитил диссертацию на тему: «Статика свободнонесущего многолонжеронного каркасного крыла (с параллельным расположением лонжеронов) при сосредоточенной и распределенной нагрузке».

Наряду с этим с февраля 1930 г. Зенгер работал ассистентом профессора Ринагля в Институте по исследованию строительных материалов при Высшей технической школе в Вене.

Несмотря на это он продолжал упорно заниматься частными исследовательскими работами. В наброске ко второй главе запланированной им книги «Космическая техника» предусматривались под общим подзаголовком «Двигатель корабля — ракета как двигатель» следующие разделы:

1. Общие вопросы. 2. Теория ракет. 3. Химическая ракета. 4. Радиевая ракета. 5. Рентгеновская ракета.

Под названием «Радиевая ракета» Зенгер понимал тип двигателя, который мы в наши дни назвали бы ядерным ракетным двигателем, а в разделе «Рентгеновская ракета» он изложил свои первые соображения о его теории «фотонной ракеты», которые стали известны много лет спустя.

До середины 1931 г. Зенгер занимался преимущественно испытаниями в аэродинамической трубе профилей различной формы. Протоколов этих испытаний, очевидно, не велось, однако их результаты были изложены в статье «О крыльях высокого качества», опубликованной в журнале «Flugsport» от 24 июня 1931 г. [3].

После этого он приступил к обобщению своих основных знаний в области ракетного полета, при этом он использовал многие элементы из своих прежних набросков работ «Полет в стратосферу» и «Космическая техника». Подготовленная им работа появилась в мае 1933 г. под названием «Техника ракетного полета». Этот труд, на 222 страницах, с разделами: «Движущие силы — Аэродинамические силы — Траектории» должен был представлять собой чисто теоретический учебник. Поэтому во введении Зенгер писал: «При всех пояснениях конструктивные подробности по возможности не рассматриваются». Однако на стр. 53 встречается следующее рассуждение относительно проблемы охлаждения ракетного двигателя на жидком топливе: «К весьма важным физическим свойствам топлива относится также их охлаждающая способность... Она является важной потому, что у ракетного двигателя вместо специальной жидкости, которая отводит избыток тепла через стенки камеры сгорания и сопла, для охлаждения может быть использовано само топливо. Как правило, сжиженные газы (жидкий водород, жидкий кислород, жидкий азот) являются непригодными для охлаждения стенок камеры, так как они кипят при тех значениях температуры и давления, которые имеют место в баке, и, следовательно, перед испарением не обладают свойством поглощения тепла».

В соответствии с заметками, сделанными Зенгером позднее в венском дневнике, в который он заносил данные испытаний, первые его конкретные проекты и предварительные практические испытания камер сгорания относились к 1932 г. В этом же году Зенгер начал выступать с докладами на эту тему в Высшей технической школе в Вене.

Первый сохранившийся протокол испытаний датирован Зенгером декабрем 1932 г. Он нагревал при помощи газовой горелки боковую стенку цилиндрической емкости, заполненной 0,37 л воды. Толщина стальных стенок равнялась 3 мм. В протоколе отмечалось: «Стенка накаливается докрасна; в месте нагревания образуется паровая подушка, которая вытесняет воду, после чего стенки быстро плавятся».

В Венском дневнике первый эскиз конструкции, датированный 3 января 1933 г., назван Зенгером «Первоначальным проектом». Он представляет собой простое коническое сопло с небольшим (приблизительно 8°) углом раствора, вытянутым выходом и комбинированным охлаждением. Части стального кожуха двигателя, соприкасающиеся с горячими газами, были футерованы окисью магния, кроме того, предусматривалась охлаждающая рубашка для динамического охлаждения горючим; при этом горючее при помощи насоса подавалось из бака в головку двигателя через охлаждающую рубашку в направлении, противоположном направлению потока горячих газов. Таким образом, это было предложение комбинации емкостного охлаждения и регенеративного охлаждения поверхности, имеющей керамический защитный слой с очень высокой точкой плавления.

Зенгер, работая ассистентом в институте материаловедения, в своих предварительных опытах в первую очередь занимался вопросами выбора материалов, в частности материалов для несущих конструкций и различных теплозащитных материалов для ракетного двигателя. До начала февраля 1933 г., после того как его первые опыты по нагреву стальных оболочек, имевших статическое охлаждение водой, показали неудовлетворительные результаты, он провел опыты с отжигом в автогенном пламени пластин и труб из электродного графита, окиси тория, вольфрама и окиси магния. Во время всех этих опытов он проявлял особый интерес к изучению влияния избытка кислорода на процесс горения топлива и степени диссоциации автогенного пламени.

После 3 февраля 1933 г. отчетность об испытаниях Зенгера прерывается на несколько месяцев, и в его дневнике имеется несколько пустых, но пронумерованных страниц: поэтому совершенно не ясно, были ли практические работы прерваны в связи с выполнением Зенгером других обязательств, таких, например, как издание книги «Техника ракетных полетов», или протоколы этого периода не сохранились.

10 октября 1933 г. Е. Зенгер направил своему руководителю, директору Технического исследовательского института в Высшей технической школе в Вене, профессору Ринаглю, руководителю кафедры аэронавтики профессору Катцмайеру, а также «Союзу друзей Высшей технической школы в Вене» обширную программу «Испытание моделей ракетных двигателей с постоянным давлением в камере сгорания» с одновременной просьбой о поддержке его работ. В этой работе Зенгер, рассматривая проблемы охлаждения, не только приводит подробные данные о конструкционных материалах, которые могли использоваться для несущей наружной оболочки и для внутренней облицовки, соприкасающейся с пламенем ракетного двигателя, но и предлагает уже применение жидкого топлива в качестве принудительно циркулирующего охлаждающего средства, а также регенерационное охлаждение облицовки камеры сгорания (рассматривавшуюся в то время Зенгером как необходимую) путем введения соответствующих добавок в горючее вещество.

В этой рукописи предлагалось далее проведение трех серий испытаний, из которых первая должна была быть осуществлена на «небольших стендовых агрегатах с тягой приблизительно от 10 до 20 кг». При проведении этой серии испытаний были поставлены следующие задачи:

«1. Выбор соответствующего жаропрочного материала для облицовки камеры сгорания и критического сечения сопла.

2. Определение величины скорости истечения газовой струи в зависимости от давления в камере сгорания и избытка горючего.

3. Установление допустимой величины теплонапряженности камеры сгорания.

4. Выявление оптимальной формы сопла и выбор для него соответствующего конструкционного материала.

5. Сбор данных о вспомогательных устройствах.

Принципиальным для установок, используемых в первой серии испытаний, является то, что вопросы веса не играют никакой роли, что охлаждение камеры сгорания осуществляется водой (так что к теплоемкости материалов стенок камеры еще не предъявляется высоких требований), что мощность насоса обеспечивается подводимой извне энергией и т. д., или же кратко, что преобладает влияние технических условий испытаний» [4].

Подробности охлаждения топливом и работы привода насоса должны были быть, в соответствии с этими первыми предложениями Зенгера о систематическом исследовании двигателей выяснены только при проведении второй серии испытаний.

В переработанном изложении (декабрь 1933 г.), которое было направлено в Австрийское Министерство обороны, эта программа дополнялась проектом охлаждаемого жидким кислородом ракетного двигателя SR-2, работу которого Зенгер поясняет следующим образом:

«Принципиальным является то, что горючее попадает из бака в насос и оттуда в жидком состоянии непосредственно поступает в камеру сгорания, в то время как кислород в жидком состоянии поступает в насос, затем проходит по спирали, помещенной в кожухе с охлаждающей водой, в результате чего он испаряется и уже после этого в газообразном состоянии при температуре приблизительно 100°С попадает в камеру сгорания. В результате этого понижаются требования к форсункам и, кроме того, около 55% теплоты топлива может быть поглощено охладителем».

Таким образом, это предложение являлось комбинацией емкостного охлаждения стенки камеры сгорания, статического внешнего охлаждения (водяная рубашка) и регенеративного принудительного охлаждения (спираль с кислородом).

Вскоре после выпуска в октябре 1933 г. материалов с программой испытаний стал к тому же доступен для широкой общественности благодаря опубликованию в венском журнале «Radio-Welt» (№ 43 от 22.10.1933) эскиз конструкции ракетного двигателя Зенгера. В отношении техники охлаждения и подачи топлива проект не содержал ничего нового по сравнению с первоначальным от 5.1.1933 г., однако вместо конической предусматривалась сферическая камера сгорания с соплом Лаваля.

Ознакомление с памятной запиской повлекло за собой то, что профессор Ринагль предоставил для проведения первых опытов пустые мастерские, расположенные в старом «строительном дворе» (Bauhof) на Драйхуфайзенгассе рядом с Электротехническим институтом. Одно из помещений, открытое наружу, было приспособлено для проведения испытаний. К нему примыкал своего рода обслуживающий и наблюдательный бункер. Кроме того, Е. Зенгер получил поддержку своим планам со стороны двух ассистентов профессора Ринагля, братьев Фридриха и Стефана Щастны. Вместе с ними он основал рабочую группу, которая согласованно работала в течение последующих суровых и небезопасных месяцев.

7 февраля 1934 г. было начато проведение новых предварительных экспериментов, первый из которых должен был уже дать ответ на вопрос о будущей технике охлаждения. В протоколе испытания было записано:

«По присоединенным к водопроводу стальной и медной трубкам диаметром примерно 0,5 дюйма и толщиной от 1 до 2 мм пускалась вода. Попытались расплавить трубы снаружи при помощи пламени автогенной горелки (наиболее сильной из имеющихся горелок № 22— 30). До тех пор, пока поперечное сечение трубы было полностью заполнено водой, не удавалось расплавить ни медную, ни стальную трубу».

В заключение обстоятельного протокола указывалось:

«Эти опыты являются решающими для начала проведения модельных испытаний двигателей, камера сгорания которых имеет металлическую стенку, охлаждаемую компонентами топлива».

Поэтому разработанная затем конструкция камеры сгорания двигателя SR-3, первые огневые испытания которой были проведены 14 марта 1934 г., после подготовки испытательного оборудования стенда, была следовательно уже без футеровки и имела стальные стенки с динамическим поверхностным охлаждением, которое в первой серии опытов еще осуществлялось водой. Конструкция SR-3 состояла из цилиндрической камеры сгорания с соплом Лаваля, половина угла раствора которого составляла примерно 6°, при диаметре критического сечения 1,2 см и степени расширения сопла примерно 10:1. Цилиндрическая охлаждающая рубашка окружала камеру сгорания и сопло. Общая длина двигателя составляла 18 см, наружный диаметр — 5,7 см,

В первой серии испытаний Зенгер использовал горючее (Sheli-Gasol-D), которое подавалось с помощью трехцилиндрового ручного насоса, и газообразный кислород, подававшийся из баллонов под давлением 150 атм (объем баллонов 6 м³). Во время испытания двигатель крепился на подвешенной к потолку качающейся раме, которая могла перемещаться только в направлении горизонтальной оси двигателя. Торможение и передача тяги на неподвижную опору осуществлялись через горизонтальный пружинный динамометр, измерявший тягу. Кроме тяги, измерялись давление в камере сгорания, расход охлаждающей воды, разность температур охлаждающей воды, расходы компонентов топлива и полное время испытаний.

По 6 апреля 1934 г. включительно было проведено 60 испытаний с этим типом двигателя, при давлении в камере сгорания до 45 атм, тяге до 1 кг и скорости истечения газов до 830 м/сек; при продолжительности испытаний — до 26 минут. На заключительном этапе испытаний в некоторых экспериментах изменялся диаметр критического сечения сопла в пределах 2,5—1,2 мм, что давало возможность увеличить скорость истечения газов по крайней мере до 1460 м/сек и тягу до 2,8 кг.

Уже во время проведения этих опытов Зенгер, на основании результатов, полученных им 7 февраля, проектирует 20 марта 1934 г. первый двигатель с принудительным регенеративным охлаждением, в котором однако охлаждающий змеевик все еще наматывался на гладкую стенку камеры сгорания и сопла. 14 апреля 1934 г. идея принудительного регенеративного охлаждения была реализована в конструкции двигателя SR-4. К цилиндрической камере сгорания с толщиной стенки 3 мм и расширяющимся соплом должен был припаиваться наматываемый без зазора охлаждающий змеевик, изготовленный из медной трубки (d/D = 8/10 мм). Общая длина этого двигателя должна была составлять 283 мм при максимальном диаметре 95 мм. В качеству расширяющего сопла было впервые предложено короткое сопло с половинным углом раствора 8°, диаметром критического сечения 2,4 мм и степенью расширения 10:1.

Исходя из теоретических соображений, создание двигателя SR-4 было все же приостановлено Зенгером 23 апреля 1934 г. и он начал разработку проекта двигателя, у которого стенка камеры сгорания состояла уже только из намотанных трубок, сваренных снаружи, так что несущие элементы оболочки располагались в области низких температур, и поверхность, отводящая тепло, была больше, чем в случае гладкой внутренней стенки. Оболочка очень вытянутой цилиндрической камеры сгорания в проекте SR-5 состояла из трубки с двойной намоткой, в которой хладоагент протекал в противотоке таким образом, что оба соединительных элемента — для подачи хладоагента и его отвода — располагались в районе впрыскивающей головки. Расширяющееся сопло снова выполнено было в виде короткого сопла с половинным углом раствора 4°, диаметром критического сечения 2,3 см и степенью расширения 4:1. Эксперименты с двигателем SR-5 проводились с 7 по 14 мая 1934 г. При этом на этой модели при продолжительности работы 260 сек и давлении в камере сгорания 47 атм была достигнута действительная скорость истечения газов 1750 м/сек, соответствующая теоретическому значению скорости истечения, равному 1913 м/сек.

Во время одного из этих испытаний Зенгеру впервые приходит идея использовать в качестве хладоагента также и пар. 9 мая 1934 г. в своем дневнике он пишет об испытании № 83:

«Впервые допускалось частичное испарение охлаждающей воды, поскольку, с одной стороны, не имеется еще насоса для охлаждающей воды и, с другой стороны, необходимо получить результаты по охлаждению с помощью пара... Во время опыта при выпуске охлаждающей воды наблюдалось такое сильное парообразование, что временами затруднялась фиксация показаний динамометра. В конце испытаний (через 260 секунд) отвалилось сопло; в головной части разгерметизировались трубопроводы; вероятно, еще во время их изготовления стенки были выполнены очень тонкими, и их прочность достигалась только благодаря пайке их к соплу. Во всяком случае испарение хладоагента принципиально допустимо!».

12 мая он пишет:

«Цель венских опытов состояла в разработке двигателя с тягой 100 кг, с автоматической заправкой и самостоятельным охлаждением», а 13 мая:

«Поскольку при сгорании горючего (Shell-Gasol-D) с жидким кислородом не исключается возможность взрывных пульсаций давления, в огневой камере могут возникнуть нагрузки до 500 кг/см². При такой нагрузке камера сгорания двигателя с тягой 100 кг должна иметь объем до 7 см³, так что опять становится актуальным проект от 5 января 1933 г. Кроме того, в такого рода газоструйном аппарате детонация не опасна! Теплопередача понижается до минимума! Уже на малогабаритных моделях двигателей охлаждающихся только одним жидким кислородом можно достичь приемлемых результатов. С детонацией бороться путем лучшего распыления... Подавать кислород и горючее через большое количество маленьких форсунок, причем кислород и горючее направлять навстречу друг другу — перпендикулярно к продольной оси двигателя. Необходимо также исследовать работу форсуночной головки с концентрически расположенными впрыскивающими элементами и короткой цилиндрической камерой сгорания.

В соответствии с «первоначальным проектом» разрабатывается проект двигателя SR-6, имевшего чисто коническое сопло (без цилиндрической камеры сгорания) с углом раствора 3°. Критическое сечение располагалось в основании сопла и имело диаметр 5,0 см. Общая длина сопла составляла 20 см, степень расширения 1:9,6. Материал сопла — бронза Каро, толщина стенки 1 мм.

21 мая Е. Зенгер пишет относительно проекта SR-6: «Для разработки проекта SR-6 были использованы следующие основные данные:

1. о жидкостном охлаждении металлических стенок огневой камеры (от 7.2.34);

2. о полном прохождении тепла через стенки огневой камеры (оде 22.4.34);

3. о нагрузке на огневую камеру при высоком давлении (от 13.5.34 или 5.1.33); ci

4. о коэффициенте полезного действия сопла с небольшим соотношением диаметров (от 20.5.33).

Для дальнейших проектов применяются результаты следующих основных экспериментов:

5. об охлаждении жидким кислородом под большим давлением (от октября 1933 г.); J

6. об охлаждении газом под высоким давлением (от 9.5.1934 г.);

7. о подаче топлива (от 26.4.1934 г.)».

Модель SR-6 была первоначально предусмотрена для работы на жидком кислороде. Однако, в связи с затруднениями в поставке насосов для жидкого кислорода из Германии, было решено вначале испытать двигатель SR-6 с использованием имеющихся устройств для газообразного кислорода и водяным охлаждением. После завершения серии опытов с этой моделью двигателя Зенгер писал 9 июня 1934 г.: «Заключение по наиболее существенным результатам, полученным до настоящего времени:

A. Основные положения.

1. Осуществимо жидкостное охлаждение огневой стенки камеры, выполненной из металла.

2. Тепловой поток не зависит от мощности двигателя и составляет приблизительно 0,3 л. с/см²*.

* Эта величина составляет примерно 528 кал/м²сек. — прим. ред.

3. Горение происходит со скоростью детонации (нагрузка на камеру сгорания = ∞).

4. Степень использования сопел небольшого раствора очень высокая.

5. Можно использовать как охладитель компоненты топлива под высоким давлением.

6. Допустимо испарение хладоагента в рубашке охлаждения.

7. Кислород при высоком давлении можно использовать в качестве дополнительного хладоагента.

B. Конструкция.

1. Патент на огневую стенку камеры сгорания (от 5.6.34).

2. Двигатель без камеры сгорания (от 5.1.33).

3. Насосы для топлива (от 26.4.34).

4. Монолитная конструкция (частично SR-6, полностью SR-7).

C. Полученные результаты:

1. Тяга примерно 5,5 кг.

2. Скорость истечения выхлопных газов приблизительно 2780 м/сек, несмотря на неправильную степень расширения сопла».

Кроме того, при проведении этих испытаний Зенгеру удалось повысить давление в камере сгорания до 17 атм при стационарном стабильном горении, применяя подачу кислорода под давлением 50 атм. На основании этого он решил изменить свою программу испытаний и вместо опытов с кислородом разработать уже рассматривавшийся в 1932 г. метод принудительного охлаждения горючим. В этих опытах, в отличие от берлинских испытаний, он предполагал подавать жидкий кислород в камеру сгорания насосом через охлаждающий тракт. 4 июня 1934 г. Зенгер объясняет свое решение следующим образом: Корпорация Линде предлагает насосы для жидкого кислорода мощностью ~ 1500 л. с. и весом 1000 кг, которые являются, следовательно, непригодными. Так как газогенераторы высокого давления при критическом давлении выше 51 атм вырабатывают только газообразный кислород, они также оказываются непригодными. Отсюда следует, что венские работы завершаются газообразным кислородом. Этому способствует и то, что охлаждение может быть обеспечено при помощи горючего. Одновременно давление в камере сгорания понижается до 50 атм, что дает возможность получить более рациональные размеры сопла и лучше использовать кислородные баллоны. При подаче жидкого кислорода в последний разработанный в Вене двигатель, не следует ожидать, что рабочие характеристики двигателя будут отличаться от полученных при использовании газообразного кислорода на двигателе с тягой до 50 кг».

Новая опытная модель двигателя SR-7 проектировалась таким образом, что в качестве хладоагента применялось горючее, а двигатель мог работать как на жидком, так и на газообразном кислороде. Длина сопла равнялась 110 мм при половинном угле раствора 6° и степени расширения 5,3:1. Сопло двигателя было изготовлено из окалиностойкой бронзы, а части форсуночной головки — из никелевой стали. Охлаждающий канал был выполнен на этот раз не из намотанных и припаянных к стенке камеры трубок, а новым монолитным способом (круговые фрезерованные пазы, которые затем заваривались снаружи).

В дни, предшествующие завершению изготовления нового сопла, Зенгер снова занимается вопросами топлива и 18 июня приходит к выводу, что в связи с ограничением возможной величины давления в камере сгорания и потерями за счет диссоциации и трения, даже с соплом Лаваля может быть достигнута лишь только часть теоретической скорости истечения газов, которая для дизельного горючего и кислорода и давления в камере сгорания 100 атм лежит несколько выше 3000 м/сек. Поэтому до изготовления двигателя SR-7 22 июня 1934 г. он проводит несколько предварительных экспериментов с дисперсией легких металлов в дизельном топливе.

23 июня 1934 г. был проведен первый опыт с замкнутым контуром топливного охлаждения. При этом дизельное топливо подавалось из цистерны с помощью насоса Боша под давлением 60 атм через тракт охлаждения, а затем охлаждалось в водяной ванне и снова подавалось в цистерну. После проведения 15 экспериментов было достигнуто время работы двигателя до 9 минут и тяга до 12 кг.

Последующие испытываемые модели SR-8 и SR-9 не имели существенных изменений по сравнению с SR-7 и отличались только длиной сопла, углом его раствора и степенью расширения. 24 июля 1934 г. SR-8 развил тягу более чем в 27 кг, а 31 июля 1934 г. тяга SR-9 достигла 30 кг.

1 августа 1934 г. Зенгер писал: «По всей вероятности, превышена допустимая нагрузка на огневую стенку камеры, и сгорание происходит частично в свободном пространстве». И далее: «Полученные при последней серии испытаний результаты — температура горючего, использовавшегося для охлаждения, уменьшается при увеличении тяги, — указывают на то, что значительная часть сопла использовалась как смесительная камера, в которой горение вообще не имело места. Это согласуется с результатами проведенных 26 июля 1934 г. опытов на очень коротких соплах (SR-8). Там, очевидно, смешивание не проходило полностью внутри сопла, частично имело место смешивание уже вне сопла».

По этой причине модели SR-10, SR-11 и SR-12 по своей форме были опять сконструированы на основе проекта, опубликованного в октябре 1933 г. в журнале «Radio-Welt», однако с принудительным охлаждением, в соответствии с предложениями от 13 мая 1934 г. и с использованием опыта, полученного в предыдущих экспериментах по определению допустимой нагрузки на огневую стенку камеры. В модели SR-11 опять была достигнута скорость истечения газов свыше 2700 м/сек. Модель SR-12 создавалась с промежуточными отводами охлаждающего змеевика, чтобы в случае наличия дефектов в каком-либо элементе облегчить последующую разборку двигателя. Кроме того, в SR-12 впервые предусматривалось двойное охлаждение горючего, так как оказалось, что температура горючего после прохождения всего охлаждающего змеевика приближалась к максимально допустимым температурам.

Наряду с этими экспериментами, имевшими целью разработку регенеративного принудительного охлаждения с использованием горючего в качестве хладоагента, продолжались также работы по исследованию процессов горения и охлаждения жидким кислородом. Жидкий кислород казался Зенгеру интересным, прежде всего (кроме его известных преимуществ — меньшего объема и весов баков) благодаря возможности его применения в круговом цикле охлаждения. Непосредственно при его сгорании он не надеялся на получение каких-либо преимуществ по сравнению с газообразным кислородом. С другой стороны, Зенгер думал этим ослабить аргументацию отрицательного заключения Австрийского Министерства обороны.

После того, как Зенгеру не удалось достать для своих целей соответствующие насосы для жидкого кислорода, он решил пойти на компромисс и сначала провести стендовые испытания с подачей жидкого кислорода из баков под давлением, для чего он разработал специальную установку. Эта простая установка состояла из следующих элементов:

1. Устройство для подачи сжатого газа (газообразный кислород в подвешенном на весах баллоне емкостью 40 л с начальным давлением 150 атм).

2. Бак для жидкого кислорода (баллон емкостью 6 л с герметически запаянной изоляционной оболочкой, заполненной 100 кг шлаковой ваты); от баллона с газом к системе трубопроводов, вела тонкая наклонная трубка, далее патрубок с предохранительной мембраной и ответвленным выпускным штуцером к резервуару сжатого газа.

3. Система для измерения расхода топлива (пружинные весы, баллон с сжатым газом и бак для жидкого кислорода, общий вес которых был равным примерно 200 кг); эта система обеспечивала точность измерений до 0,1 кг.

4. Система трубопроводов (трубопроводы для жидкого кислорода, выполненные из медных трубок с внутренним диаметром 5 мм и изолированные асбестовым картоном; в качестве запорного вентиля использован обычный вентиль от баллона с кислородом, в котором уплотнители из твердой резины заменены медными; вентиль может управляться с пульта).

С помощью этой установки оказалось возможным в течение ограниченного периода времени подавать жидкий кислород под высоким и постоянным давлением через впрыскивающий жиклер, расположенный в конце медной трубки длиной около 10 м, в камеру сгорания или в открытую испытательную камеру и в течение этого времени измерять расход кислорода. 20 августа 1934 г. эта установка была готова к испытаниям. Сначала с ее помощью должны были быть проведены на SR-8 огневые испытания с жидким кислородом и дизельным горючим. Однако оказалось, что при таком небольшом расстоянии между впрыскивающими жиклерами горючего и кислорода, как это было в камере сгорания Зенгера, поступающий жидкий кислород замораживал жиклер горючего, даже при давлении в 200 атм. Вследствие этого ограничивались экспериментами с открытым сжиганием топлива, при которых струи горючего и жидкого кислорода направлялись навстречу друг другу и воспламенялись газовым пламенем. Эти опыты, во время которых могли варьироваться давления подачи топлива и жидкого кислорода, а также взаимный угол наклона их струй, продолжались до 20 мин. В заключение Зенгер писал 24 августа 1934 г.: «В результате проведенных опытов с открытым сжиганием горючего с жидким кислородом оказалось, что:

1. При стабильном воспламенении образующейся смеси мелко распыленного жидкого кислорода и мелко распыленного дизельного горючего горение происходит так же, как и при использовании газообразного кислорода. Образующийся кислородный туман воспламеняется, по-видимому, только после полного газообразования.

2. Смесь жидкого кислорода и замерзших в нем капелек горючего не детонирует, а сгорает стабильно и относительно быстро».

В связи с высокими температурами (до 450°С), которые имели место в трактах охлаждения двигателей SR-11 и SR-12 (несмотря на горение с избытком горючего и соответственно более низкие температуры газообразных продуктов сгорания) и в связи с необходимостью исследования причины этого явления был разработан проект двигателя SR-13 с раздельными системами охлаждения камеры сгорания и сопла. Стенка камеры сгорания была спроектирована из медных трубок 6/8 мм для охлаждения водой или, позднее, жидким кислородом, а стенка сопла — из медной трубки 2/4 мм для охлаждения горючим. Скорости хладоагента лежали в пределах между 10 и 15 м/сек. После 8 опытов с конструкцией SR-13 Зенгер писал 13 сентября 1934 г. в своем дневнике испытаний:

«В данный момент складывается следующая ситуация.

Запаянная снаружи бронзой камера сгорания, тщательно обмотанная медными трубками и имеющая надежные подсоединения, выдерживает все рабочие нагрузки при охлаждении как водой, так и горючим.

В то же время такой принцип конструкции у критического сечения сопла себя совершенно не оправдывает. Во входном отверстии и в критическом сечении как медные, так и стальные сопла плавятся как при охлаждении водой, так и при охлаждении горючим. При этом лучше всего ведут себя медные сопла с охлаждением горючим и хуже всего — стальные сопла, охлаждаемые водой. Кажется, однако, что этот недостаток можно устранить сглаживанием внутренней поверхности сопел. Очевидно, что шероховатая поверхность в критическом сечении сопла сильно увеличивает величину теплового потока от газов к стенке, которая, по данным проведенных измерений для случая горения при избытке кислорода, достигает 1,7 л. с./см²*. При этом, вероятно, большую роль играет конвекция... Толщина стенки, в особенности медной, играет незначительную роль при требуемой отдаче теплоты через стенку. Решающее значение имеет соотношение тепловых потоков от газа к стенке и от стенки к хладоагенту, которое обусловливается толщиной пограничного слоя.

*Эта величина составляет примерно 3000 кал/м² сек. — прим. ред.

Передача теплоты от раскаленных газов происходит:

1) путем излучения;

2) путем конвекции, особенно в критическом сечении сопла, где благодаря скорости и плотности газового потока достигается высокая передача теплоты путем конвекции.

Передача теплоты от газов к стенке понижается с увеличением температуры стенки.

Теплопередача от стенки к хладоагенту происходит путем конвекции. Она повышается с увеличением скорости движения хладоагента и разницей между температурой стенки со стороны хладоагента и средней температуры хладоагента.

Равновесие между тепловыми потоками на обеих сторонах стенки должно установиться при температурах пламени у края стенки, не превышающих допустимую температуру материала.

В действительности в целом ряде выполненных до настоящего времени испытаний с соплами (в допустимых пределах температуры стенки) передача теплоты от горячего газа к огневой стенке была больше, чем передача теплоты от стенки к хладоагенту...

В первую очередь необходимо стремиться к тому, чтобы равновесие наступало при температуре ниже точки плавления обычных металлов, например меди или бронзы.

Рис. 1. Страница из рабочего дневника Е. Зенгера со схемой и расчетом двигателя SR-13.

А. Для этого тепловой поток от пламени к огневой стенке должен быть минимизирован, для чего необходимо:

1. избегать всех поперечных передач у стенки (по возможности минимум турбулентности, никакой вертикальной обдувки, максимально, насколько это возможно, гладкие стенки);

2. отражать тепловые лучи при помощи зеркальных поверхностей;

3. насколько возможно уменьшать фактическую площадь поглощающей поверхности путем устранения выступов, изгибов и т. д.;

4. насколько возможно увеличивать температуру огневой стенки для уменьшения разности температур горящих газов и огневой стенки (это оказывает влияние на количество теплоты, передаваемой излучением и конвекцией);

5. понижать плотности газов сгорания (это особенно действует на конвекцию).

В. Тепловой поток от стенки к хладоагенту, отнесенный к проекции стенки, должен быть максимизирован, для чего необходимо:

1. обеспечивать очень большие скорости потоков хладоагента для увеличения эффективности теплопередачи;

2. увеличивать теплоотводящую поверхность путем установки охлаждающих ребер (например, имеющие внутренний протектор трубы по Sztatecsny);

3. обеспечивать потоки с сильным поперечным движением от стенки (например, прямая обдувка, сильная турбулентность);

4. увеличивать плотность хладоагента (обеспечить высокое давление газов, добавлять металлическую пыль к дизельному горючему);

5. использовать хладоагент при очень низкой температуре для увеличения разности температур стенки и хладоагента (например, жидкий кислород);

6. стремиться к повышению температуры пограничного слоя хладоагента.

Если эти меры не приводят совсем к температурному равновесию в пределах 1000°С или приводят к нему только при нерентабельных затратах, то следует использовать для сопла жаропрочные материалы».

В соответствии с этими данными была построена и 4 октября 1934 г. испытана модель SR-14. Уже при втором испытании при тяге 2 кг, давлении в камере сгорания 16 атм и очень большом избытке горючего была достигнута скорость истечения газов ~3000 м/сек, правда при неточном определении времени работы на стационарном режиме. В последующем испытании с избыточным количеством горючего около 30% была достигнута скорость истечения газов 2760 м/сек при тяге 4,5 кг, давлении в камере сгорания 22 атм и продолжительности работы в стационарном режиме в течение 63 сек. В обоих случаях температуры охлаждающего топлива и охлаждающей воды оставались в допустимых пределах, и двигатель не был поврежден.

К сожалению, с этой моделью было проведено всего пять испытаний. 17 октября 1934 г. профессор Ринагль запретил дальнейшее проведение работ из-за большого шума, создававшего помехи для окружающих. Последнее, 235-е испытание было продемонстрировано 23 октября 1934 г. графу Максу фон Арко-Цинненбергу. Эксперимент прошел безупречно, и двигатель остался неповрежденным.

На основании результатов, полученных при проведении этих испытаний, Зенгер отметил следующие положения для патентования:

1. Горение при высоком давлении, характеризуемое тем, что топливо таким образом направляется вдоль стенки камеры сгорания, что оно предварительно нагревается и подогретым поступает в камеру сгорания, а стенка камеры сгорания охлаждается топливом.

2. Применение в качестве горючего металлов в чистом виде или в качестве добавки к другим горючим веществам.

3. Приведение в действие топливных насосов газообразными продуктами сгорания двигателя.

4. Изготовление сопел из специальных труб, которые благодаря приданию им соответствующей формы имеют ровные поверхности и большую площадь теплоотдающей поверхности.

5. Большое число оборотов насосов для подачи жидкого кислорода с целью предотвращения его испарения.

6. Изготовление камер сгорания и сопел путем наматывания труб...

7. Расширяющиеся сопла с охлаждаемой стенкой, характеризующиеся тем, что средний угол раствора сопла больше 25° и меньше 270° * («короткое сопло»).

* Так в оригинале — прим. ред.

До настоящего времени сохранились модели камер сгорания SR-10/2, SR-11, SR-12 и SR-13 (без сопла, так как это сопло в модели SR-13 было сменным).

Зенгер опубликовал затем краткое сообщение о своих опытах и их технических следствиях в отдельном выпуске журнала «Flug» (декабрь 1934 г.) [5].

В последующие месяцы он изложил некоторые свои идеи для патентования в Австрии, в том числе в поданной 9 февраля 1935 г. заявке на разработанный им во время проводимых опытов способ принудительного регенеративного охлаждения ракетных двигателей. В Австрийском патенте № 144809 под названием «Ракетный двигатель и принцип его работы» указывается:

«Движение хладоагента вдоль горячей стенки должно благодаря особым конструктивным мерам осуществляться таким тщательным образом, чтобы хладоагент в любом месте стенки точно сохранял заданную скорость течения, в результате чего повсюду был обеспечен требуемый отвод тепла и исключен местный нагрев материала выше допустимого предела».

Далее следуют двенадцать пунктов патентной формулы:

«1. Ракетный двигатель с непрерывным процессом горения, характеризующийся тем, что хладоагент принудительно направляется вдоль стенки, соприкасающейся с пламенем, таким образом, что в любом месте стенки точно обеспечивается заранее заданная величина скорости течения хладоагента. При этом, отношение величины полезного объема камеры сгорания к площади критического сечения сопла находится в пределах от 50 до 5000 см³/см².

2. Ракетный двигатель, выполненный в соответствии с пунктом 1 патентной формулы, характеризующийся тем, что каналы для хладоагента выполнены в виде пазов в горячей стенке и эти пазы накрыты соответствующим образом, образуя закрытые каналы.

3. ...каналы для хладоагента изготавливаются путем наматывания труб произвольного поперечного сечения вокруг горячей стенки.

4. ...горячая стенка вместе с каналом для хладоагента образуется в результате соответствующего расположения в ряд трубок произвольного поперечного сечения, причем трубки соединяются друг с другом соответствующим образом.

5. ...трубки, образующие горячую стенку, имеют такое поперечное сечение, что в результате их расположения в ряд образуется целесообразно изогнутая гладкая поверхность огневой стенки.

6. ...подсоединения, отверстия для впрыска и т. д. располагаются между охлаждающими каналами в камере сгорания таким образом, что не имеется точек в материале, которые не охлаждались бы хладоагентами.

7. ...хладоагент в процессе охлаждения полностью или частично находится под повышенным давлением.

8. ...тепловой поток от излучавшего горячего газа к стенке снижается до желаемой величины отражающими поверхностями стенки.

9. ...участки горячей стенки, подверженные износу в результате движения горячих газов, защищаются прочными покрытиями.

10. ...горючие вещества до их введения в камеру сгорания предварительно нагреваются благодаря теплоте, отводимой через горячую стенку к хладоагенту.

11. ...в качестве хладоагента частично или полностью используются сами компоненты топлива (например, горючее, кислород и т. п.).

12. ...в горючие вещества добавляются соответствующие присадки, например катализаторы, амилнитрат и т. п., которые изменяют скорость горения» [6].

В добавление к этому основному патенту были выданы многочисленные дополнительные патенты в различных странах, в том числе немецкий патент 716175 от 11.12.1941 г., далее итальянский патент № 334064, французский патент 792596; английский патент № 459924 и заявка в США (серийный номер 33516), по которой, вероятно в связи с войной, патент не был выдан.

Рис. 2. Схемы охлаждающих трактов по Зенгеру (1934 г.).

В 1936 г. Зенгер заключил договор с Немецким исследовательским институтом воздушных сообщений (DVL) в Берлине—Адлерсхофе (с началом действия с 1 февраля 1936 г.), согласно которому Зенгеру поручалась разработка проекта создания научно-исследовательского института по ракетной технике и разработка программы исследований жидкостных ракетных двигателей. Строительство этого института началось в феврале 1937 г. в Трауене (в районе Люнебургской пустоши).

В своей книге «Фау-2» — выстрел во Вселенную» Вальтер Дорнбергер справедливо указывает:

«Технический прогресс человечества зависит не только от людей с большими идеями, но почти в такой же степени зависит от тех, кто ранее других направляет свою непреклонную волю и неистощимую энергию на то, чтобы осуществить эти идеи».

При исследовании вопросов приоритета в технических изобретениях необходимо учитывать, помимо чистого изобретательства, защищаемого патентом, также два других направления деятельности, которые являются равноценными творческой работе, однако предполагают совершенно иную деятельность человека, так что приоритет на всех этих трех ступенях рождения изобретения очень редко принадлежит одному и тому же инженеру. Шаг от идеи к созданию конструкции означает вторую ступень, выполнение которой представляет собой также творческую работу. Последующий шаг от созданного нового образца к последующему его успешному применению на практике также не является механической работой, а представляет собой пионерское решение. Каждая из этих трех ступеней технического решения относится к одному из соответствующих этапов, а именно: «исследование»,«разработка» или же «проверка на практике», на каждом из которых к деятельности инженера предъявляются различные требования.

Рис. 3. Общий вид испытательного стенда во время огневого испытания двигателя
с тягой 1000 кг (1940 г.).



Рис. 4. Экспериментальный образец 6-ступенчатого центробежного насоса для подачи
жидкого кислорода. (Давление на выходе 150 ата, производительность 5 кг/сек,
N об/сек =15 000).

С учетом этих обстоятельств шкалу приоритетов в создании наиболее интересных способов охлаждения ракетного двигателя на жидком топливе по имеющимся данным можно представить следующим образом:

* При составлении данного перечня автор статьи основывался, главным образом, на материалах немецких и австрийских ученых. Более полно этот вопрос рассмотрен в работе Г. М. Салахутдинова «Идеи по охлаждению ЖРД в трудах основоположников ракетной техники до 30-х годов XX в.».— Труды IX Чтений К. Э. Циолковского. Секция «Проблемы ракетной и космической техники». М., 1975, стр. 169— 178 — прим. ред.

То, что путь к надежному способу охлаждения жидкостных ракетных двигателей для космических ракет оказался таким длинным и тернистым, объясняется пожалуй в первую очередь той, характерной для большинства первых исследователей, разрабатывавших ракеты, несколько развлекательной постановкой задачи, целью которой было осуществление более или менее кратковременных демонстрационных полетов небольших ракет, которые при этом естественно интересовали исследователей в основном как летательные аппараты, в аспекте их устойчивости, управляемости и весовых показателей, а двигатель рассматривался в лучшем случае как необходимая, но второстепенная система. Поэтому двигатели оставались большей частью безымянными, в то время как самим летательным аппаратам их создатели давали самые красивые фантастические названия. Занимаясь вопросами двигателя, исследователи касались также способов подачи, подготовки и распыления горючей смеси. Центральное значение проблемы охлаждения для развития стационарного ракетного двигателя поняли немногие; большинство изобретателей занималось этим вопросом только тогда, когда работы заходили в тупик.

Так, например, в журнале «Die Rakete» за ноябрь/декабрь 1929 г. было самокритично написано: «До конца 1928 г. в литературе о космических полетах слово «теплопередача» практически не появляется» [7, стр. 123].

Однако на основании уже имевшихся в то время данных не было сделано никаких выводов относительно техники охлаждения при передаче теплоты от горячих газов к стенке. Рассматривались только наиболее важные для приготовления горючей смеси процессы передачи теплоты между горячим газом и распыляемой жидкостью. Удивительным является то, как мало информации о способе охлаждения дают старые сообщения о проделанных до 1932 г. экспериментах. Подобные устройства упоминаются более или менее случайно, в лучшем случае в дополнительных описаниях.

Это является справедливым также для Годдарда, который в своих известных работах «Метод достижения предельных высот» (1919 г.) и «Разработка ракет на жидком топливе» (1936 г.) ни разу не упоминает о способе охлаждения жидкостных ракетных двигателей. Его первые четкие высказывания о методах охлаждения встречаются в патентах «Средства для охлаждения камеры сгорания» (патент США 2016921 от 8 октября 1935 г.) и «Конструкция охлаждающей рубашки» (патент США 2122521 от 5 июля 1938 г.).

Даже основоположник космонавтики Циолковский, который в своих ранних проектах явно считал опасность аэродинамического нагрева наружной оболочки ракет более насущной задачей, чем тогда им еще не принимавшийся во внимание риск работы неохлаждаемого ракетного двигателя, потратил с 1903 г. по 1928 г. почти 25 лет*, прежде чем опубликовал работу о конструкции ракеты, имеющей камеру сгорания одновременно с динамическим и регенеративным охлаждением.

* Идея динамического регенеративного охлаждения вполне отчетливо была сформулирована К. Э. Циолковским в 1903 г. К. Э. Циолковский. Исследование мировых пространств реактивными приборами. «Научное обозрение», Спб., 1903, № 5, стр. 54. — прим. ред.

Исключение составлял, вероятно, незаслуженно несколько забытый швейцарский исследователь И. Штеммер, который в своих частных опытах с моделями камер сгорания и моделями ракет во время стендовых и полетных испытаний использовал (несколько позже, но все-таки независимо от Зенгера) принудительное охлаждение.

1. К. Lasswitz. Auf zwei Planeten. Berlin, 1897.

2. R. Nebel. Raketenflug. Berlin, 1932.

3. E. Sanger. Dber Fliigel hoher Giite. — «Flugsporb, 24 Juni, 1931.

4. E. Sanger. Modellversuche mit Gleichdruck—Raketenflugmotoren (unverof-fentlicht).

5. E. Sanger. Neure Ergebnisse der Raketenflugtechnik. — «Flug», 1934, Son-derheft.

6. E. Sanger. Raketenmotor und Verfahren zu seinem Betrieb. Patentschrift OP 144809.

7. «Die Rakete», 1929, № 11/12, S. 123.