На самом деле одной главы для этого не хватит. Не хватит даже целой книги. Так что держите в уме, что за скобками осталось множество разработок, авторских свидетельств, опытных конструкций и успешных серийных моделей. Те конкретные системы, о которых я хочу рассказать, выделены даже не по степени важности, а скорее по своей интересности. Единственный объединяющий их фактор – первенство. Все эти типы ракетных двигателей впервые были разработаны именно советскими специалистами.
Опережая время
В мае 1929 года молодой инженер Валентин Глушко стал сотрудником ленинградской Газодинамической лаборатории, которую возглавлял знаменитый изобретатель и учёный Николай Тихомиров. Практически сразу Глушко возглавил новое направление – разработку ракетных двигателей и ракет. Занимательно, что на тот момент молодому специалисту было всего 20 лет и он даже не имел законченного высшего образования (Ленинградский государственный университет Глушко бросил на пятом курсе из-за нехватки средств).
Протекции у него тоже не было, но было кое-что другое: трудолюбие, везение и талант. Он учился в VI профтехшколе «Металл» и одновременно с этим в консерватории по классу скрипки, много читал и в 1923 году, в возрасте 14 лет, написал вдохновенное письмо великому Циолковскому. Циолковский неожиданно ответил, и так они переписывались до 1930 года. Первую статью о космонавтике, «Завоевание Землёй Луны», Глушко опубликовал в 15-летнем возрасте, а в качестве дипломной работы ЛГУ выбрал крайне редкую и сложную тему – разработку электрического ракетного двигателя.
Идею ЭРД высказывали два могучих столпа теоретической космонавтики – Константин Циолковский в 1911-м и американец Роберт Годдард в 1916-м. Годдард пошёл дальше и довёл идею до предварительных расчётов, но на тот момент далековато было даже до обычных ракетных двигателей, способных запустить в космос хоть что-нибудь, что уж говорить о сугубо фантастической конструкции.
Глушко же по-настоящему горел этой идеей, почерпнутой у Циолковского. По сути, именно его диплом привлёк внимание Тихомирова, которому нужен был не маститый специалист типа Цандера или Артемьева (впрочем, Артемьев и так у него работал), а кто-то молодой, бойкий и полный новых идей. Таким человеком стал Глушко.
Сегодня электрических ракетных двигателей существуют десятки разновидностей, которые делятся на несколько групп – электростатические, электротермические, электромагнитные, фотонные, электродинамические и т. д. Есть и более узкие классификации, например электростатические двигатели делятся на ионные и плазменные. Есть двигатели, не попадающие ни в одну из существующих групп, скажем вызвавший множество споров в научном сообществе EmDrive (проект которого либо появился в результате ошибки измерения, либо же является мошенничеством очень высокого уровня). Некоторые конструкции остаются сугубо лабораторными образцами или даже теоретическими выкладками, но и полноценные космические аппараты с новыми типами электрических двигателей появляются практически ежегодно. Вот буквально в 2013 году был запущен эстонский спутник ESTCube-1 – первый аппарат, использующий электрический парус (правда, тестирование вышло не вполне удачным, но это не важно).
У электрического ракетного двигателя есть одно значительное ограничение. Его нельзя использовать для выведения объекта на орбиту – слишком малую тягу развивает любой из перечисленных типов двигателей, и преодолевать с помощью ЭРД атмосферу или экономически неэффективно, или попросту невозможно. Поэтому ЭРД используются в качестве маршевых или маневровых двигателей уже в космосе. Первый электродвигатель был использован на практике уже в космическую эру: на американском спутнике SERT-1, запущенном 20 июля 1964 года, в течение 31 минуты и 16 секунд планово работал электростатический ионный двигатель. К слову, на SERT-1 стоял и второй электрический двигатель другого типа, но он не запустился.
А на начало 1930-х использование электричества в ракетном двигателе было решением как минимум смелым и необычным (не скажу «революционным», поскольку до практического применения подобных систем так или иначе оставались годы). Это было мечтой о космосе, надеждой на орбитальный полёт в недалёком будущем.
Менее чем за год, к концу 1929-го, отдел Глушко разработал и построил первый в мире действующий образец ЭРД – электротермический двигатель электродугового типа. В таком агрегате электрическая дуга используется для нагрева рабочего тела (газа), который затем выбрасывается через сопла, преобразуя электроэнергию в кинетическую энергию движения космического аппарата. Иначе говоря, это довольно простая конструкция относительно других типов ЭРД, и немудрено, что именно её первой реализовали «в металле».
Глушко предполагал, что его электротермический двигатель может вывести ракету на орбиту, но испытания 1930–1931 годов показали, что тяга его крайне ограничена, и лаборатория полностью свернула эксперименты. По сути, Глушко очень сильно опередил своё время: в 1930-х главная задача состояла в подъёме на орбиту, а не разработке экзотических конструкций для решения проблем маневрирования. С 1930 года отдел Глушко полностью сосредоточился на жидкостных двигателях – параллельно с Цандером, Годдардом (уже запустившим первую ракету с ЖРД, пусть и не на орбиту) и группами немецких конструкторов. А первый в истории рабочий советский ЭРД (плазменно-эрозионный конструкции Александра Андрианова) был установлен на автоматической межпланетной станции «Зонд-2», запущенной с Байконура 30 ноября 1964 года. Точнее, на ней было шесть таких агрегатов, и они использовались в качестве маневровых двигателей, как и предполагал Глушко за 30 лет до этого.
Закрытый тип
Другое заметное первенство советского ракетного двигателестроения – это изобретение Алексеем Исаевым жидкостного двигателя закрытого типа. Одногодок Глушко, Исаев не был вундеркиндом и свой рабочий путь проходил обычным образом: в 1931-м в возрасте 23 лет окончил Московский горный институт, работал инженером на разных предприятиях, затем попал на авиазавод № 22 в ОКБ Болховитинова.
Из авиации Исаев перебрался в ракетостроение. К концу 1930-х ОКБ переехало в Химки на авиазавод № 293, директором которого был назначен Болховитинов. Молодой 29-летний конструктор КБ Александр Березняк выдвинул интересную инициативу: построить первый советский самолёт с ракетным двигателем. Инициативу одобрили сверху, и весной 1941 года Березняк с Исаевым приступили к разработке машины. К слову сказать, на тот момент концепция ракетного перехватчика была актуальна. Предполагалась, что такой самолёт может мгновенно взлететь, быстро нанести удар и сесть на планировании, – немцы в то же самое время работали над аналогичной машиной Messerschmitt Me 163 Komet (которая стала единственным в истории серийным и использовавшимся в бою ракетным истребителем). Первый самолёт с ЖРД немцы к тому времени, в 1939 году, уже построили и испытали – это был Heinkel He 176.
В общем, Березняк с Исаевым в сжатые сроки спроектировали советский ракетный самолёт БИ-1. Испытания различных его модификаций продолжались до 1945 года, а Исаев стал одним из ведущих советских специалистов по ЖРД. В этой роли он и попал в группу инженеров, направленных после войны в Германию для изучения немецких достижений в области ракетостроения. А в 1947 году он возглавил ОКБ-2, образованное при НИИ-1 МАП СССР (ныне Московский институт теплотехники), а затем переведённое под эгиду НИИ-88 (ныне ЦНИИМАШ). Занимался Исаев проектированием двигателей для боевых ракет различных классов, в общем, работал на «военку». Вот там-то, в качестве главного конструктора собственного ОКБ, Алексей Исаев и предложил в 1949 году оригинальную схему ЖРД – так называемый ЖРД закрытого цикла.
В классическом ракетном двигателе горючее и окислитель поступают из баков на центробежные насосы, которые под высоким давлением подают их к форсункам; оттуда топливо идёт в камеру сгорания. Центробежные насосы приводятся в действия газовой турбиной. Возникает вопрос: откуда берётся газ для её вращения? Всё относительно просто: часть ракетного топлива ещё на стадии подачи отделяется от основной массы и сжигается отдельно, в специальном отсеке – газогенераторе. Полученный в результате генераторный газ поступает к топливным насосам и приводит их в действие, после чего сбрасывается в атмосферу. Существуют также системы, в которых для привода турбины используется другое топливо, хранящееся в отдельном отсеке. Но так или иначе система открытого цикла (такое название носит схема с газогенератором) снижает эффективность двигателя и повышает расход топлива.
Идея Исаева состояла в том, чтобы выполнивший свою функцию генераторный газ перенаправлять в камеру сгорания, где он бы дожигался и работал, как основная часть топлива, на движение ракеты. Проблема состояла в том, что на 1949 год даже классические ЖРД, использующиеся в серийных крылатых или баллистических ракетах, требовали множества доработок. Двигатель же замкнутой схемы был намного сложнее в расчётах и изготовлении, а увеличение эффективности сводилось на нет усложнением конструкторской работы и большей вероятностью отказа. Поэтому до поры до времени идея Исаева оставалась лишь на бумаге.
Но если для ранних военных технологий схема была чрезмерно сложной, то в космическую эру она сыграла свою роль. Ракетам, предназначенным для вывода объектов на орбиту, нужен был любой прирост мощности и КПД, а сложность конструкции уже никого не смущала, поскольку ракеты-носители и без того представляли собой исключительно сложные системы.
В результате схему реализовал бывший сотрудник КБ Исаева и его ученик – Михаил Мельников. С 1956 года Мельников работал заместителем главного конструктора ОКБ-1 Сергея Королёва по двигателям, и в 1958-м его группа занималась разработкой ЖРД для новых четырёхступенчатых ракет-носителей «Молния». Первый образец ЖРД 11Д33 (С1.5400) был готов к маю 1960 года, отлично показал себя на испытаниях и стал первым реализованным в металле ЖРД замкнутого цикла. Правда, первые два запуска «Молнии 8К78» (10 и 14 октября 1960-го) оказались неудачными, причём в первом случае подвёл именно двигатель. Но 12 февраля 1961 года «Молния» штатно стартовала и вывела на орбиту АМС «Венера-1» (первый космический аппарат, пролетевший вблизи от Венеры). Занятно, но это был второй успешный пуск – первый произошёл 4 февраля, когда «Молния» вывела на орбиту другую «Венеру-1», но у той отказал разгонный блок и с орбиты она уйти не смогла. Советская пропаганда быстро переименовала АМС в «Спутник-7» и назвала пуск успехом, хотя болтающийся вокруг земли нефункциональный венерианский зонд трудно было считать удачей. Неудачу с первым запуском «Венеры» признали гораздо позже.
Сегодня ЖРД с дожиганием газа широко используются в космонавтике. По этой схеме выполнены многие российские двигатели, например новейший РД-193 (его экспортная модификация РД-181 осенью 2016 года вывела на орбиту новую американскую ракету-носитель Antares). В «Ангаре» тоже используется такой двигатель – более ранняя и проверенная версия РД-191. Идея Исаева давным-давно вышла за пределы ОКБ и даже страны.
Космическая плазма
Несколько слов надо сказать о первом в мире плазменном ракетном двигателе. Как и двигатель Глушко, это электрический ракетный двигатель, но относящийся к совершенно другой группе и работающий по иному принципу. Поскольку я не ставлю перед собой задачу подробно описать физические законы, на которых основан этот агрегат, о его конструкции я расскажу очень кратко. В частности, чтобы вы понимали разницу между ионными и плазменными двигателями.
Рабочим телом для ионных двигателей чаще всего служит ксенон или пары ртути. Рабочее тело ионизируют, превращая в поток ионов, а затем разгоняют их в сильном электрическом поле. Разогнанные ионы выбрасываются в пространство, создавая тягу и придавая кораблю ускорение. Электрическое поле в области разгона создают с помощью системы из двух сетчатых электродов (решёток) – отрицательного (катода) и положительного (анода). К этим электродам прикладывают электрическое напряжение, формируя область электрического поля со значительной разностью потенциалов.
Первые ионные двигатели отправились на орбиту в 1964 году, они стояли на американском спутнике SERT-1 – об этом я рассказывал выше (действительно, исторически ионный двигатель вообще самый ранний тип электрического двигателя, попавший в космос).
Но ещё в 1955 году молодой физик, аспирант Алексей Морозов, опубликовал в «Журнале экспериментальной и теоретической физики» статью «Об ускорении плазмы магнитным полем». Первоначальное название должно было стать другим – «О возможности создания плазменных электрореактивных двигателей», но он изменил его, чтобы статью сразу не засекретили. Придя двумя годами позже в Институт атомной энергии им. И. В. Курчатова, Морозов развил свою идею и в 1962-м предложил конкретную конструкцию двигателя, который использовал для разгона рабочего тела (ионизированного ксенона) скрещенные магнитное и электрическое поля.
В какой-то мере можно назвать плазменный двигатель более развитой версией ионного двигателя, поскольку плазма – это ионизированный газ, который содержит и заряженные ионы, и свободные электроны. Но в обычном ионном двигателе в разгоняющее поле между сетками подаются только ионы, поскольку при подаче плазмы электрическое поле разгоняло бы в основном лёгкие электроны, которые не дают тяги. У ионного двигателя есть свои ограничения – и фундаментальные (ионы вблизи катода экранируют его потенциал для остальных, как бы создавая пробку), и технологические (разгоняющие решётки сильно нагреваются и могут деформироваться). Идея же Морозова заключалась в том, чтобы избавиться от ограничений ионного двигателя – и от решёток, и от «пробок» из ионов, и от электронов в разгоняемом потоке частиц – с помощью простого и остроумного решения.
Этим решением стало использование магнитного поля. «Сердцем» стационарного плазменного двигателя (СПД) является электромагнит, создающий магнитное поле в кольцевой камере. Один торец камеры – это анод, а у среза двигателя расположен катод. В камеру подаётся рабочее тело – ксенон, в электрическом поле он ионизируется и превращается в плазму. Ионы разгоняются электрическим полем между анодом и катодом и вылетают из двигателя, создавая тягу. При этом электроны привязываются магнитным полем, создавая как бы виртуальную катодную решётку из «навитых» на магнитные силовые линии электронов.
К 1967 году изготовили и испытали лабораторную версию СПД «Эол-1», правда, до лётной версии было ещё далеко. Проблема заключалась в консерватизме конструкторов космической техники: они попросту опасались ставить на спутник не очень надёжную с виду и странную опытную систему. Тему «продавил» лично Анатолий Александров, директор Института атомной энергии. Он договорился с главным конструктором серии метеорологических спутников «Метеор» Андроником Иосифьяном, который был, помимо всего прочего, одним из крупнейших советских учёных в области электротехники и по-настоящему заинтересовался разработкой.
Двигатель «Эол-1» в космической компоновке, имевший массу всего 15 килограммов, был установлен на спутник «Метеор-1–10», отправившийся на орбиту 29 декабря 1971 года. «Эол» проработал суммарно 170 часов и за это время поднял орбиту спутника на 15 километров, выполнив свою задачу в качестве маневрового двигателя.
Собственно, основной недостаток плазменного двигателя ровно тот же, что у ионного: очень малая тяга. Для преодоления земной атмосферы её не хватит ни при каких условиях. А вот в качестве маневрового двигателя для спутника это идеальное решение, поскольку масштабировать плазменный двигатель можно до сколь угодно малых размеров, а срок его работы очень велик – от трёх лет и более. Также рассматривается использование плазменных двигателей для сверхдальних миссий: такая система позволит медленно, но очень долго наращивать ускорение и в итоге разогнаться до скоростей, недоступных никаким ЖРД.
Сегодня плазменные двигатели устанавливаются на самые разные спутники. Одним из наиболее ярких проектов с использованием таких двигателей был сконструированный Европейским космическим агентством SMART-1 – искусственный спутник Луны, который, помимо исследований, был предназначен для испытания плазменных двигателей в плане использования их для миссий к Меркурию и Солнцу. Ведущий мировой производитель таких двигателей – калининградское ОКБ «Факел». То самое, которое в 1971 году сделало по чертежам морозовской группы «Эол-1».
Бесконечная тема
Первый электротермический, первый жидкостный замкнутого цикла, первый плазменный – это всего лишь три странички в истории советского ракетного двигателестроения. Например, тот же Глушко ещё в 1930-х годах первым в мире, даже раньше немцев, проводил эксперименты с гиперголическими жидкостями (то есть такими, пары которых самовоспламеняются при контакте) применительно к ракетному топливу. Или вот ещё пример: несмотря на то что первый спутник с ядерной силовой установкой – SNAP-10A – запустили американцы, он так и остался для них опытным и единственным, а вот в СССР подобные установки поставили в серию (первой стала БЭС-5 «Бук»), ядерные спутники стали неотъемлемой частью советской космической программы.
Сотни авторских свидетельств, десятки реализованных систем – в плане ракетных двигателей СССР был впереди планеты всей (время от времени деля это первенство с США). Тем более удивительно, что многие конструкции не остались внутри страны, а вышли за её пределы в виде публикаций и экспортных моделей. Всё-таки чаще всего мы разрабатывали что-то параллельно с американцами, и даже если успевали первыми, именно из США в силу открытости и налаженных международных отношений технология уходила «в мир». Но уже с 1970-х годов, с ослаблением холодной войны, сотрудничество в космосе и обмен опытом стали важнее эфемерной демонстрации первенства. И мы постепенно начали открываться миру.