Идея появилась не на пустом месте. Дело в том, что привычная схема последовательного расположения ступеней, несмотря на видимую простоту, имела свои недостатки. Прежде всего не была решена задача запуска двигателя второй ступени во время полета. Теоретикам она казалась малосущественной, но практики долго не знали, как к ней подступиться. Второй существенный момент – оценочные расчеты показывали, что высота ракеты, сделанной по последовательной схеме и при этом способной развить первую космическую скорость, будет поистине гигантской: придется строить огромную монтажную башню, а сама ракета от увеличения длины вовсе не станет прочнее и надежнее.
Пытаясь решить очевидные проблемы, Тихонравов обратился к трудам Константина Циолковского, которого безмерно уважал, и в работе «Наибольшая скорость ракеты» (1935) нашел описание «эскадры ракет». Интерпретация идеи, предложенная Тихонравовым, состояла в том, чтобы запускаемые одновременно ракеты, имеющие, по Циолковскому, только гидравлические связи, снабдить дополнительно механическими связями, объединив в один пакет. В такой схеме запуск двигателей всех ракет осуществляется одномоментно на старте, топливо к ним подается сначала от одной ракеты, которая после опустошения отваливается, затем от другой и так далее.
Пакет ракет не имеет ограничений по дальности полета, то есть сначала задаешь дальность, а потом проектируешь под нее пакет. Однако в то время не существовало теории оптимального выбора основных конструктивно-баллистических параметров таких сложных агрегатов – именно ее и предстояло создать новому отделу, учрежденному Тихонравовым. В 1947 году ракетчики еще не располагали мощными электронно-вычислительными машинами, поэтому все необходимые расчеты приходилось выполнять на арифмометрах. Тем не менее к концу года был выпущен предварительный отчет по теории составных ракет, включая анализ пакетных схем.
Тихонравов внимательно следил за работой отдела. Результаты ему так понравились, что он решил доложить их на ученом совете НИИ-4. Оригинальную идею встретили настороженно. Скептики тут же уцепились за плохую аэродинамику соединения ракет, за уязвимость механических соединений. Но Тихонравов верил в осуществимость проекта и 14 июля 1948 года в Академии артиллерийских наук прочитал расширенный доклад «Пути осуществления больших дальностей стрельбы ракетами». Выступление вызвало бурю негодования – мало кто из специалистов поверил в практическую возможность достижения дальностей свыше 1000 км с помощью баллистических ракет. Поэтому сообщение Тихонравова о том, что пакет способен достичь любых дальностей и даже вывести на орбиту искусственный спутник Земли, взбудоражило зал. По иронии судьбы, среди яростных критиков были и те, кто стал впоследствии видными учеными в области космонавтики.
Исторически значимый доклад чуть было не стал катастрофой для научной карьеры Тихонравова. Отдел тут же расформировали как «занимающийся неактуальными проблемами». Самого Михаила Клавдиевича сняли с должности заместителя директора института, низведя до научного консультанта. Тогда в его судьбу вмешался Сергей Павлович Королев. В декабре 1949 года он выдал НИИ-4 официальный заказ на выполнение работы по теме «Исследование возможностей и целесообразности создания составных ракет дальнего действия типа „пакет“». В записке была прямо сформулирована цель исследования – «сравнение возможностей достижения больших дальностей (порядка 10 000 км) с помощью одиночных и составных (последовательных и по типу „пакет“) ракет дальнего действия с целью выбора рационального направления работ в области дальнобойных ракет».
Тихонравову после получения заказа не только вернули тему, но и позволили сформировать большую группу для научно-исследовательской работы. В марте 1950 года он сделал новый доклад – «Ракетные пакеты и перспективы их развития». Тогда прозвучало, что по техническому заданию Королева группой был рассмотрен двухступенчатый пакет из трех больших баллистических ракет и доказано, что такой пакет может не только доставить тяжелую боевую часть на любую дальность, но и вывести на орбиту спутник, масса которого может оказаться достаточной для полета на нем человека. На этот раз доклад выслушали внимательно, хотя в последовавшей дискуссии по-прежнему преобладали саркастические интонации.
Работы по изучению различных проблем создания составных ракет продолжались в группе до 1953 года. Результаты исследований регулярно высылались в бюро Королева. Сергею Павловичу особенно нравилась схема простейшего пакета, и он, видя, что группа Тихонравова не справляется по времени, заказал оптимизацию этой схемы в Отделении прикладной математики имени Стеклова.
В конечном итоге Михаил Тихонравов отправил правительству два письма, в которых аргументированно излагались перспективы применения составных ракет для достижения межконтинентальной дальности. Ответом стало постановление, которое Иосиф Сталин подписал незадолго до своей смерти – 13 февраля 1953 года. В тексте задавалась тема «Т-1» – «Теоретические и экспериментальные исследования по созданию двухступенчатой баллистической ракеты с дальностью полета 7000–8000 км». Цель исследований – разработка эскизного проекта ракеты дальнего действия массой до 170 т, снабженной отделяющейся головной частью массой 3 т.
Позднее, в октябре 1953 года, проектное задание было изменено: массу головной части увеличена до 5,5 т при сохранении дальности полета. Последнее решение приняли под влиянием неофициальной информации о техническом облике термоядерных зарядов нового поколения, которую предоставил один из ведущих специалистов в этой области – будущий академик Андрей Дмитриевич Сахаров. Позднее выяснилось, что масса такого заряда может быть многократно уменьшена. Однако двигатели для ракеты уже разрабатывались, и запас по тяге, который они давали, впоследствии сыграл решающую роль в реализации космических планов.
В декабре 1953 года в ОКБ-1 был подготовлен проект постановления о создании баллистической ракеты большой дальности «7Р» (позже – «Р-7»). Среди прочего в его тексте предлагалось применить ракету «7Р» для запусков искусственных спутников Земли и космических аппаратов к другим планетам. В январе 1954 года прошли совещания главных конструкторов, на которых были сформулированы технические требования к «7Р», согласованы основные тактико-технические характеристики, этапы конструирования и испытаний.
Наконец 20 мая 1954 года было принято Постановление ЦК КПСС и Совета министров СССР № 956-408сс о разработке, изготовлении и испытаниях межконтинентальной ракеты «Р-7». Начался этап эскизного проектирования. При этом сотрудники ОКБ-1 рассмотрели более полусотни вариантов компоновки пакета. В конечном итоге остановились на не самом оптимальном из возможных, но позволявшем использовать многие существовавшие технологические наработки.
Пакет ракеты «Р-7» состоял из пяти блоков (фактически – одноступенчатых ракет): центрального блока «А» и четырех симметрично окружавших его конических боковых блоков «Б», «В», «Г» и «Д». Двигатели всех блоков запускались на старте одновременно. После опустошения топливных баков боковые блоки отделялись (первая ступень), а центральный блок (вторая ступень) продолжал полет. При этом внутренняя компоновка блоков была подобна компоновке ракеты «Р-5», что значительно упрощало работу конструкторам и технологам. Новизну для них представляли лишь узлы связей блоков и магистралей перекачки топлива. Основные компоненты топлива располагались в нижнем (горючее) и верхнем (окислитель) баках каждого блока. Вспомогательные компоненты (жидкий азот для наддува баков и перекись водорода для привода турбонасосного агрегата) размещались в торовых баках непосредственно над рамой двигателя.
Разумеется, в ходе эскизного проектирования пришлось определиться с двигателями. За их создание взялось Опытно-конструкторское бюро № 456 (ОКБ-456), разместившееся на базе авиазавода в подмосковном городе Химки и возглавляемое замечательным ученым Валентином Петровичем Глушко.
Первой задачей бюро Глушко после войны стало конструирование двигателей «РД-100», в точности воспроизводящих двигатели «А-4» («V-2»). Разумеется, сначала предстояло развернуть производственную базу – заброшенный завод в Химках был восстановлен и переоборудован под новые задачи. Понимая, что воспроизведением немецкого опыта работа не ограничится, Глушко подошел к делу с размахом. На территории завода были созданы научно-исследовательская лаборатория, комплекс стендового оборудования и испытательная станция. Первый колышек под строительство будущей станции был забит в сентябре 1947 года в непосредственной близости от бюро – на относительно высоком откосе оврага, в излучине речки Химки. Больших перепадов высот, необходимых для свободного горения факела, здесь найти не удалось, поэтому Глушко предложил конструкцию наклонного стенда. Строительство велось быстрыми темпами, и к маю 1948 года монтаж стенда и кабины управления был завершен. 24 мая 1948 года на стенде состоялся успешный «прожиг» двигателя «РД-100», что является историческим событием для отечественного ракетостроения.
Когда пришло время выбрать компоненты топлива для «Р-7», Глушко оказался перед трудным выбором. Увеличение размеров спиртового двигателя уже не давало требуемого эффекта, что показали работы над двигателем «РД-101» для ракеты «Р-2» и двигателем «РД-103М» для ракеты «Р-5М». Было ясно, что пора переходить на керосин, который более калориен и столь же хорошо освоен промышленностью. Однако при таком переходе возникали серьезные трудности: температура продуктов его сгорания в кислороде почти на тысячу градусов выше, чем у водных растворов спирта, в то время как охлаждающие свойства намного хуже, а ведь именно горючим приходится охлаждать стенки камеры сгорания, если в качестве окислителя используется быстро испаряющийся кислород. Задача охлаждения осложнялась еще и тем, что для обеспечения оптимальных характеристик керосинового двигателя необходимо поднять давление газов в камере по крайней мере в два раза по сравнению с достигнутым на спиртовых аналогах.