В.П.Мишин
ИДЕИ Ф.А. ЦАНДЕРА И НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ДАЛЬНЕЙШЕГО
РАЗВИТИЯ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ И КОСМОНАВТИКИ.
(К 110-летию со дня рождения Ф.А.Цандера)
1. Введение.
Проводящиеся чтения по разработке научного наследия Ф.А. Цандера совпадают со 110-летием со дня его рождения. Цандер вошел в историю советской ракетно-космической техники не только как теоретик, оригинально развивший идеи К.Э.Циолковского, но и как эрудированный инженер — первый создатель ракетных двигателей и теории расчета ЖРД. Велика его роль и в распространении и дальнейшей разработке идей основоположника космонавтики.
Творческое наследие Ф.А. Цандера интересует специалистов ракетно-космической техники не только в историческом аспекте, но и как источник новых идей, которые представляют интерес и сегодня.
Многие идеи Цандера опередили свое время и только сейчас, в результате научно-технического прогресса, стали реализуемыми и необходимыми.
2. Роль Ф.А. Цандера в создании и формировании отечественной школы специалистов в области ракетно-космической техники.
Анализируя творчество Цандера, нельзя не отметить его большой роли в создании и формировании отечественной школы специалистов ракетно-космической техники. Разработанные им принципы проектирования ракет и ЖРД были успешно развиты его учениками, многие из которых были в рядах выдающихся ученых и инженеров — творцов исторических достижений нашей ракетно-космической техники.
Несомненно, что в формировании С.П.Королева, выдающегося специалиста и организатора ракетостроения и космонавтики в нашей стране, Цандер занимает одно из важнейших мест. Королев высоко ценил деятельность Ф.А. Цандера и много сделал для увековечения его памяти и заслуг в развитии отечественной ракетной техники и космонавтики.
К сожалению, точная дата и обстоятельства первой их встречи не установлены. Известно, что Ф.А. Цандер и С.П.Королев входили в московскую ГИРД (группу изучения реактивного движения), сформированную как общественная организация под руководством Ф.А. Цандера в 1931 г., а в 1932 г. оформленную штатной организацией Осоавиахима под руководством С.П.Королева, и ставшую впоследствии, в 1933 г., ядром первого в мире Реактивного НИИ, организованного в нашей стране в результате слияния московской ГИРД и ленинградской ГДЛ. О плодотворной работе Королева, Цандера и всего коллектива ГИРД в тот период говорить нет необходимости. Это была работа отдельных единомышленников-энтузиастов, достигших поразительных результатов.
За удивительно короткий срок — всего два года — они проделали путь, на который у крупного американского ученого Р.Годдарда ушло почти 10 лет, у немецких исследователей (Оберт, Винклер, Валье и др.) и сотрудников ленинградской ГДЛ — 5-10 лет. Большинство работ, выполненных в МосГИРД, навсегда вошло в историю со словами "впервые в мире", "впервые в СССР".
Все это не могло не повлиять на дальнейшее развитие ракетно-космической техники и космонавтики в СССР.
3. О роли творческого наследия Ф.А.Цандера в достижениях современной ракетно-космической техники.
Современная ракетно-космическая техника в послевоенное время достигла впечатляющих результатов.
Если во времена деятельности Ф.А.Цандера необходимо было доказывать возможность использования ракетно-космической техники для нужд народного хозяйства, то после запуска Первого советского ИСЗ 4-го октября 1957 г. наступила новая — космическая — эра Человечества, перешедшего от изучения космоса к его использованию в решении земных задач с использованием такой техники. Все эти достижения тесно связаны с идеями творческого наследия Ф.А. Цандера. К ним относятся:
1) исследования и методы расчета траекторий движения космических аппаратов;
2) исследования и методы расчета внутрикамерных процессов в ЖРД;
3) исследования в области ракетных топлив;
4) исследования в области использования атмосферы Земли при взлете и посадке аппаратов ракетно-космической техники;
5) исследования в области сочетания ракеты с самолетом;
6) исследования по определению наиболее рациональных областей применения в ЛА различных схем двигателей.
Ряд других, не менее важных исследований Ф.А.Цандера, получивших признание и примененных в послевоенной ракетно-космической технике, свидетельствуют о многогранности его деятельности.
4. О необходимости развития творческого наследия Ф.А.Цандера для дальнейшего освоения околоземного космоса в интересах народного хозяйства.
Дальнейшее освоение околоземного космического пространства требует значительного роста грузопотока "Земля -орбита искусственного спутника Земли" (ОИСЗ), существенного увеличения возможностей РКТ по выводу грузов на ОИСЗ, а значит — увеличения расходов.
Следовательно, одним из решающих условий дальнейшего развития РКТ является снижение затрат, связанных с выведением грузов на орбиту ИСЗ, создание новых экономичных средств выведения.
Это делает необходимым дальнейшее развитие творческого наследия Ф.А.Цандера. К числу его перспективных идей относятся:
— использование атмосферы при взлете и возвращении на Землю (использование ВРД в комбинации с ЖРД);
— применение оптимальных траекторий взлета и возвращения, зависящих от применяемых двигателей;
— использование наиболее экономичных ракетных топлив.
Неудачный опыт создания многоразовых средств, таких, как "Space Shuttle" в США и "Энергия-Буран" у нас, не уменьшивших затрат на выведение грузов на ОИСЗ по сравнению с одноразовыми многоступенчатыми ракетами, вызывает сомнения в возможностях таких систем вообще. Поэтому в настоящее время в разных странах рассматриваются более эффективные системы выведения грузов на ОИСЗ.
5. О необходимости дальнейшего развития творческого наследия Ф.А.Цандера для перспективного развития РКТ, космонавтики и подготовки межпланетных космических полетов.
В творческом наследии Цандера есть идеи, относящиеся и к перспективному, дальнейшему развитию ракетной техники и космонавтики.
Ф.А.Цандер в свое время сильно увлекался межпланетными полетами. Его проекты в этой области в то время были нереальными и не были необходимыми.
Межпланетные полеты нереальны и не необходимы и сейчас. Они не обеспечены энергетикой и системами длительного жизнеобеспечения. Достигнутый уровень научно-технического прогресса человечества пока не может гарантировать надежного межпланетного полета с возвращением космонавтов на Землю.
Таким рейсам должны предшествовать экспедиции автоматических космических аппаратов, которые уже реальны и необходимы для освоения траекторий полета к планетам, посадки на эти планеты, траекторий возвращения на Землю. Полеты автоматических КА должны проложить дорогу пилотируемым межпланетным кораблям. Этими вопросами нужно заниматься, нужно готовиться к межпланетным полетам людей.
Здесь поможет дальнейшее развитие творческого наследия Цандера в направлении уменьшения энергозатрат в этих экспедициях за счет использования гравитационных полей других планет, в направлении использования двигателей малой тяги различных схем.
Заключение.
В ходе изучения творческого наследия Ф.А.Цандера мы убедились в большом вкладе, который внес в развитие ракетно-космической техники и космонавтики этот ученый. Идеи Цандера уже нашли широкое применение в достигнутых успехах ракетной техники и космонавтики.
Л.А.Квасников, А.Ф.Цандер
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ.
ПРЕДЛОЖЕНИЯ Ф.А.ЦАНДЕРА И ИХ РАЗВИТИЕ.
Ф.А. Цандер в течение ряда лет проводил математические исследования и конструктивные разработки по проблеме межпланетных путешествий. В своей статье "Перелеты на другие планеты", опубликованной в 1924 г. [1], он, дискутируя по вопросам об устройстве ракетно-космических аппаратов для межпланетных полетов, привел десять выводов-положений, определяющих эту проблему. Пять из них относились к конструкции ракетно-космических аппаратов, а начинался перечень положением об использовании крыльев "для полета в верхние слои атмосферы, а также для спуска на планеты, обладающие атмосферой". Далее отмечалось, что "аэропланы, обладающие возможностью произвести планирующий спуск в случае остановки движения, намного превосходят парашют...", говорилось о спуске "планером или аэропланом с двигателем".
Представленный автором схематический чертеж трех проекций двухступенчатого ракетно-космического аппарата с крыльями у обеих ступеней иллюстрировал и дополнял положения, отмеченные в статье. Первая ступень, которую Цандер называл аэропланом, по его замыслам должна была, начиная с достигнутой скорости полета 400 м/с (приблизительно 1.2 М), после расстыковки ступеней не сбрасываться, а постепенно снижаться, т.е. была многоразовой.
В нижних слоях атмосферы Цандер предлагал использовать либо особого вида авиационный двигатель, работающий на жидком горючем и жидком кислороде, либо систему, получившую впоследствии название "ракетно-прямоточный двигатель". Всасываемый в полете наружный атмосферный воздух должен был примешиваться к продуктам сгорания жидкостного ракетного двигателя. Этот подход был неразрывно связан с выдвинутой и разрабатывавшейся Цандером идеей возможности применения металлов в дополнение к жидкому горючему. Во втором варианте своей статьи изобретатель предлагал примешивать забираемый воздух к продуктам выхлопа воздушно-реактивных двигателей, предвосхитив тем самым широко применяемые ныне двухконтурные ВРД. В качестве двигателя второй ступени Цандер предполагал использовать жидкостной ракетный двигатель.
Мысль о конструкции, сочетающей реактивный принцип движения и крылья, сама по себе не нова. Еще в 1867 г. Бутлер и Эдвардс предлагали реактивный аэроплан (он изображен на одном из диапозитивов Ф.А. Цандера, демонстрировавшихся во время его публичных выступлений). Однако этот аэроплан был предназначен только для полетов в атмосфере, без выхода в космос. В опубликованной в 1913 г. работе Эсно-Пельтри упоминалось: "Если у планеты есть атмосфера, снаряд мог бы сначала лететь, как аэроплан, постепенно поднимаясь и увеличивая свою скорость по мере разрежения атмосферы, до того момента, пока не будет достигнута критическая скорость на соответствующей высоте" [2, с.330]. Однако критическая скорость — скорость звука — не является условием для обеспечения космического полета. Она сейчас многократно превзойдена не только военной, но и гражданской авиацией, тем более — при разделении ступеней современных космических ракет.
Цандер конкретно предлагал использовать крылья в конструкции аппарата, предназначенного для космических полетов, в случаях, когда планета старта или цели обладает атмосферой. Именно это предложение было использовано впоследствии при разработках наиболее совершенных космических аппаратов ряда стран мира. Существенно, что ученый не только предложил использовать крылья, но и сделал расчеты подъема и спуска крылатого ракетно-космического аппарата, оценил размеры коридора входа в атмосферу. При этом он учитывал распределение давления, плотности и температуры воздуха по высоте (по данным того времени).
Цандер представлял свои предложения по конструкции ракетно-космического аппарата вместе с его чертежами в Комитет по делам изобретений еще 8 июня 1924 г., до публикации своей статьи (в июле). Но в Комитете по делам изобретений отнеслись к заявке отрицательно, сочли ее фантастической и отказали Цандеру в выдаче заявочного свидетельства на межпланетный корабль. А ведь уже в 1943-45 гг. в Германии разрабатывалась крылатая космическая ступень системы А9 — А10 для сугубо утилитарной цели — удара по Нью-Йорку.
Стоит обратить внимание на то, что Цандер не ограничивался узкими рамками конструкции, схематично представленной на чертеже. Об этом свидетельствует заключительное, десятое положение его статьи: "На основании всех этих положений можно построить ряд межпланетных кораблей". Говоря о преимуществах крылатых, он в то же время не отрицал в принципе и возможности использования бескрылых составных ракет. Это непосредственно проявилось в плане экспериментальных работ, предложенных им 15 июля 1924 г. на организационном докладе в Обществе изучения межпланетных сообщений. Постройка "моделей аэропланов разных систем" намечалась позже, чем "испытания сложных, вложенных друг в друга ракет".
Широкий подход к проблеме создания конструкций ракетно-космических аппаратов ярко обнаруживается в книге Цандера "Проблема полета при помощи реактивных аппаратов", изданной в 1932 г. [3]. Там, наряду с прежней схемой двухступенчатого крылатого ракетного аппарата, представлена схема многоступенчатого бескрылого ракетного аппарата, состоящего из параллельно соединенных ракет и емкостей с топливом, как это впоследствии применялось для целого ряда ракет-носителей Советского Союза и США. Весьма характерно сопутствующее утверждение Цандера: "И здесь можно себе представить громадное количество вариантов" [3]. По современной терминологии такие схемы получили название пакетных и нашли широкое применение в космонавтике.
Современные пилотируемые транспортные космические корабли многоразового использования — отечественный "Буран" и применяемые на практике американские аппараты "Space Shuttle" имеют общие черты как с тем, что предлагалось Цандером в статье 1924 г., так и с пакетной схемой, опубликованной им в 1932-м. Эти машины двухступенчатые, причем вторая ступень ("Space Shuttle") крылатая. В системе "Энергия-Буран" двигатели второй ступени располагаются, в отличие от "Shuttle", не на крылатом аппарате, а на мощной бескрылой ракетной ступени, что существенно расширяет возможности комплекса. В этих носителях соединяются по пакетной схеме обе ступени, что позволяет снизить их общую длину, в отличие от, например, Н-1 (СССР) и "Saturn-V" (США).
К сожалению, Цандер при жизни не имел возможности из-за большой загруженности и отсутствия средств опубликовать подавляющую часть своих обширных теоретических исследований в области космонавтики и ракетной техники. Большинство их, в том числе — относящиеся к конструкции ракетно-космических аппаратов, издавались после его смерти, да и то, вероятно, не полностью, хотя бы потому, что многое из его научного наследия не было расшифровано. Цандер вел свои записи с использованием системы немецкой стенографии (Габельсбергера), модернизированной им лично с использованием научных терминов, что не дало возможности привлеченным к расшифровке специалистам (около 20 человек) полностью понять написанное. Впоследствии это удалось только Ю.В.Клычникову.
Некоторые из расчетов, связанных с использованием крыльев в ракетно-космических аппаратах, Цандер демонстрировал во время своих выступлений, особенно частых в 1924 -1925 гг. Лишь в 1932 г. в упомянутой книге "Проблемы полета при помощи реактивных аппаратов" ему удалось опубликовать часть их, главным образом в виде результатов расчетов, графиков и чертежей. В этой книге особенно ярко проявился широкий подход ученого к проблеме конструкции ракетно-космических аппаратов. Не исключено, что дальнейшее исследование научного наследия Ф.А.Цандера покажет новые, пока еще неизвестные его стороны.
Возможно, что шифрование своих наиболее актуальных разработок имело для Цандера существенное значение — может быть, он опасался военного использования своих идей. Например, в развитие военной системы А-4 (Фау-2) Вернер фон Браун в Германии создавал вторую крылатую ступень на ее основе — А-10, использующую планирующий полет при спуске к Нью-Йорку. После окончания войны с Германией в Пенемюнде была найдена работа Е.Зенгера и И.Бредт "Дальний бомбардировщик с ракетным двигателем" [4] (переведена и издана в СССР, см.[5] — ред). Она содержала детально разработанный проект бомбардировки того же города соединением крылатых вторых ступеней космических самолетов с жидкостными ракетными двигателями. Эти аппараты, "глиссируя" по верхним слоям атмосферы, должны были совершить облет земного шара. Работа была в Германии засекречена и адресно разослана по ограниченному списку. Вторая ее часть содержала описание и расчеты крылатого космического самолета и его планирующего полета в верхних слоях атмосферы (совсем по Ф.А.Цандеру) и расчет космической бомбардировки на примере карты Нью-Йорка.
Первые образцы космических крылатых самолетов имели военное значение. В какой-то мере сюда можно отнести межконтинентальную "Бурю" С.А.Лавочкина (СССР) и "Navaho" (США). Первым же действительно космическим самолетом явился "Space Shuttle". При его разработке удалось убедить конгресс США, что это, якобы, самый дешевый способ доставки полезных грузов на орбиту. Энергетика на основе водород-кислородных топливных элементов обеспечивала семь суток космического полета. По предварительным расчетам, "Shuttle" мог поднимать на орбиту до 30 т груза, спускать до 14 т. При практической эксплуатации стоимость доставки оказалась существенно выше, чем у одноразовых носителей типа "Союз", "Протон", "Ariane". Поэтому Франции удалось перехватить у США до 50% коммерческих запусков.
Однако в процессе создания международной орбитальной станции по программе "Мир"— NASA роль крылатого космического аппарата стала действительно рациональной, обеспечивая прямые и обратные грузопотоки, которые еще больше возрастут в процессе создания новой станции. Станет существенной возможность маневра в космосе и тем более — при спуске на Землю, когда наличие крыльев и аэродинамического маневра будет неизбежным.
Крылатая система "Энергия-Буран" более предпочтительна, чем "Space Shuttle". За нее говорит в первую очередь возможность многоцелевого применения, для запуска как МКА "Буран", так и контейнеров с полезным грузом до 100 т и выше. Это, например, дает возможность для сборки на орбите пилотируемого марсианского аппарата в 2015 — 2020 гг. и осуществления заветной мечты Ф.А.Цандера — высадки человека на таинственную красную планету. Хотелось бы, чтобы это была международная экспедиция. России есть что вложить в решение этой задачи: мощная ракета-носитель, опыт долговременного пребывания космонавтов в условиях невесомости, методы обеспечения их жизнедеятельности, лучшие в мире ракетные двигатели, как ядерные большой тяги, так и электрические большой экономичности, методы автоматических стыковок в космосе и автоматических посадок на поверхность планет, крылатые космические аппараты, позволяющие использовать атмосферу для аэродинамического маневра при посадке и осуществлять ее при необходимости в автоматическом режиме.
Как развитие идей Ф.А.Цандера представляют интерес разработки проектов малых крылатых космических аппаратов. Создававшийся во Франции крылатый аппарат "Гермес" с полезной нагрузкой около 4 тонн, был ориентирован на использование ракеты-носителя "Ariane-5". В СССР тем же коллективом, который разработал "Буран", был предложен малый авиакосмический аппарат "МАКС", стартующий с первой ступени — большегрузного самолета "Мрiя". Таким образом практически полностью осуществлялась предложенная Цандером схема двух крылатых ступеней космического аппарата, апробированная как транспортными операциями по перевозке МКА "Буран" и топливного бака второй ступени "Энергии" этим самолетом, так и опытом старта космических ракет с самолетов. РН авиационного базирования "Штиль-3А", разрабатываемая Государственным ракетным центром им. В.П.Макеева, должна запускаться с самолета Ан-124 и иметь вдвое большую полезную нагрузку, чем носитель наземного базирования "Штиль-ЗН". В КБ "Радуга" по проекту "Бурлак" разработана РН, предназначенная для вывода на орбиту небольших спутников с переоборудованного стратегического бомбардировщика Ту-160.
В Германии по проекту "Sanger" предполагалось создать крылатую систему, обе ступени которой имели бы крылья. После расстыковки первая крылатая ступень — гиперзвуковой самолет — возвращалась бы на свой аэродром. Были сообщения о разработке аналогичной системы и в США.
Нельзя не отметить и разработки одноступенчатых комбинированных аппаратов, проведенные в России и Англии. Британский космический аппарат "HOTOL" должен был иметь принципиально новую двигательную установку. В плотных слоях атмосферы она работала бы как воздушно-реактивный двигатель, а по мере — подъема трансформироваться к турборакетному и полностью ракетному. Для этого в системе предполагалось иметь бак с жидким кислородом, компенсирующим недостаток окислителя в верхних слоях атмосферы. Такая схема была предвосхищена Цандером еще в 1924 г. его предложением подмешивать атмосферный воздух к продуктам сгорания жидкостного ракетного двигателя. Российские разработки можно охарактеризовать докладом А.Г. Королева и Ю.В. Аксентия на XI международном симпозиуме по истории авиации и космонавтики в 1997 г. о концепции комбинированного гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя с ядерным реактором [6]. За счет дожигания в атмосферном воздухе после диффузора водородного выхлопа ЯРД показана возможность резко повысить его характеристики.
Ф.А. Цандер еще в начале этого столетия предвосхитил наиболее эффективные схемы космических аппаратов: крылатые системы, использование атмосферного воздуха не только для аэродинамического маневра при подъеме и спуске, но и для повышения удельных характеристик двигателя, более компактную пакетную схему аппарата, спасение и возвращение на аэродром крылатого самолета первой ступени. Предложенное им использование металлов в качестве одного из компонентов топлива применяется для твердотопливных двигателей и испытывалось для жидкостных.
К сожалению, идеи, предсказанные Ф.А.Цандером в 1924 г. не были тогда должным образом оценены и только почти через столетие — к 2005-2020 гг. будет осуществлена его заветная мечта пилотируемого полета на Марс. Хотелось бы, чтобы и Россия приняла в этом достойное и заслуженное участие.
Литература и источники.
1. Ф.А.Цандер. Перелеты на другие планеты // "Техника и жизнь". 1924. №13. С. 15-16.
2. R.Esnault-Pelterie. Consideration sur les resultats d'un aliegement indefini des moteurs // J. phys. theor. et appl. 1913. T. III. — Р.Эсно-Пельтри. Соображения о результатах неограниченного уменьшения веса двигателей. Сообщение на заседании Французского физического общества 15 ноября 1912 г. Цит. по: Пионеры ракетной техники. Гансвиндт, Годдард, Эсно-Пельтри, Оберт Гоман. Избранные труды. М., 1977.
3. Ф.А. Цандер. Проблема полета при помощи реактивных аппаратов. М.,1932
4. E. Sanger und I.Bredt. Ein Raketenantrieb fur ein Fernbomber. Berlin, Adiershof, 1944 (Deutsche Luftfahrtforschung, LLM 3538 )
5. Е.Зенгер, И.Бредт. Дальний бомбардировщик с ракетным двигателем. М., 1946.
6. А.Г.Королев и Ю.В.Аксентий. Концепция комбинированного гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя содержащего технические средства на принципах магнитогазодинамики // XI Международный симпозиум по истории авиации и космонавтики, посвященный 40-летию начала космической эры. Тезисы докладов. М., 1997, с.57-58