Аннотация: Неформальная история жидкого ракетного топлива
Ignition!
Неформальная история
жидкого ракетного топлива
У меня было множество разных источников. Отчеты подрядчиков и государственных учреждений, сборники опубликованных статей, воспоминаниях участников и разведывательные отчеты; всё внесло свой вклад. Поскольку это не официальная история, а неофициальная попытка активного участника рассказать, как всё происходило, я не пытался их формально задокументировать. В частности, во многих случаях это было бы неосторожно - не сказать опасно! Защищать свои источники должны не только журналисты.
И, конечно, я переписал свои записи и воспоминания. В течение более чем двадцати лет, с 1 ноября 1949 года, когда я присоединился к военно-морской испытательной станции военно-воздушных сил США, до 2 января 1970 года, когда я ушел из её преемника, Лаборатории жидкостных ракетных установок Пикатинского арсенала, я был членом неофициального сообщества и знал, что происходило в этой области, в этой стране и в Англии. (Только в конце 50-х годов стало возможным многое узнать о работе в Советском Союзе, а разработка топлива за пределами этих трех стран была незначительной.)
Книга написана не только для заинтересованного непрофессионала - и для него я постарался сделать все как можно проще, - но и для профессионального инженера в ракетном бизнесе. Ибо я обнаружил, что он часто ужасно не осведомлен об истории своей профессии и, если его не сдерживать, почти наверняка сделает то, что, как мы узнали пятнадцать лет назад, не только глупо, но и может привести к катастрофе. Сантаяна точно знал, о чем говорил.
Как всё начиналось
Дорогая королева наконец-то отправилась за своей наградой, и король Эдуард VII наслаждался собой, управляя Империей, над которой никогда не заходило солнце. Кайзер Вильгельм II в Германии строил линкоры и делал нескромные заявления, а в Соединенных Штатах президент Теодор Рузвельт делал нескромные заявления и строил линкоры. Год был 1903, и до его окончания первый самолет братьев Райт должен был ненадолго подняться в воздух. А в городе Санкт-Петербурге, столице Российской Империи, журнал, чьё название можно перевести как "Научное обозрение", опубликовал статью, которая не привлекала к себе внимания.
Её впечатляющим, но не очень информативным названием было "Исследование мировых пространств реактивными приборами", а автором был Константин Эдуардович Циолковский, неизвестный школьный учитель в не менее неизвестном городе Боровск Калужской области. Суть статьи можно резюмировать в пяти простых утверждениях.
1.Возможно космическое путешествие.
2.Оно может быть совершено с помощью и только с помощью ракетных двигателей, поскольку ракета является единственным известным движущимся устройством, которое будет работать в безвоздушном пространстве.
3.Пороховые ракеты не подходят, поскольку у пороха, в том числе бездымного просто не хватает энергии для выполнения работы.
4.Некоторые жидкости обладают необходимой энергией.
5.Жидкий водород был бы хорошим топливом, а жидкий кислород - хорошим окислителем, их пара составила бы почти идеальную комбинацию топлива.
Можно было бы ожидать, что первые четыре из этих утверждений заставят удивлённо приподнять брови, если кто-нибудь их выслушает, но никто не услышал, и их приняли с оглушительным молчанием. Пятое утверждение было совершенно другого рода, и за несколько лет до этого было бы не просто удивительным, но и совершенно бессмысленным. Жидкий водород и жидкий кислород были новыми вещами в этом мире.
Начиная с Майкла Фарадея в 1823 году, ученые всей Европы пытались превратить различные газы в жидкости - охлаждая их, сжимая их и комбинируя эти два процесса. Хлор был первым, кто уступил, а затем аммиак, двуокись углерода и многие другие, и к семидесятым годам лишь несколько упорных противников все еще сопротивлялись сжижению. К ним относились кислород, водород и азот, получившие пессимистическое название "постоянных газов". Фтор еще не был выделен, а благородные газы даже не были обнаружены.
До апреля 1883 года. В апреле того же года З.Ф.Вроблевский из Краковского университета объявил Французской академии, что он и его коллега К. С. Ольшевский преуспели в своих усилиях по сжижению кислорода. Через несколько дней появился жидкий азот, а в течение двух лет - жидкий воздух. К 1891 году жидкий кислород был доступен в экспериментальных количествах, и к 1895 году Линде разработал практический крупномасштабный процесс получения жидкого воздуха, из которого жидкий кислород (и жидкий азот) можно было получить просто путем фракционной перегонки.
Джеймс Дьюар (позднее сэр Джеймс, изобретатель сосуда Дьюара и, следовательно, термоса), из Королевского института в Лондоне, в 1897 году получил сжиженный фтор, который был изолирован Муассоном всего одиннадцать лет назад, и сообщил, что плотность жидкости составила 1.108. Это дико (и необъяснимо) ошибочное значение (фактическая плотность 1,50) было должным образом забальзамировано в литературе и оставалось там, без сомнения, почти шестьдесят лет, вводя в заблуждение практически всех.
Последнее крупное препятствие - водород - поддался его усилиям, и был сжижен в мае 1898 года. И, как он торжественно сообщил, "тринадцатого июня 1901 года пять литров его (жидкого водорода) были успешно перевезены по улицам Лондона из лаборатории Королевского института в палаты Королевского Общества! "
И только тогда Циолковский мог написать о космических путешествиях в ракете, которую приводили в движение жидкий водород и жидкий кислород. Без Вроблевского и Дьюара Циолковскому не о чем было бы говорить.
В последующих статьях Циолковский обсуждал другие возможные виды ракетного топлива - метан, этилен, бензол, метиловый и этиловый спирты, скипидар, бензин, керосин - практически все, что можно было бы налить и сжечь, но он, по-видимому, никогда не рассматривал никакого окислителя, кроме жидкого кислорода. И хотя он писал до самой смерти (1935), его ракеты оставались на бумаге. Он никогда не пытался создать одну из них. Человеком, который что-то сделал, был Роберт Х. Годдард.
Еще в 1909 году д-р Годдард думал о ракетах на жидком топливе и пришел к тем же выводам, что и его российский предшественник (о котором он никогда не слышал), что жидкий водород и жидкий кислород будут почти идеальной комбинацией. В 1922 году, когда он был профессором физики в Университете Кларка, Годдард начал настоящую экспериментальную работу над жидкостными ракетами и их компонентами. Жидкого водорода в то время было практически невозможно найти, поэтому он работал с бензином и жидким кислородом - комбинацией, которую он использовал во всех последующих экспериментальных работах. К ноябрю 1923 года он поставил на испытательный стенд ракетный двигатель, а 16 марта 1926 года совершил первый запуск жидкостной ракеты. Она пролетела 184 фута за 2,5 секунды. (Ровно через сорок лет, в этот же день, Армстронг и Скотт будут отчаянно бороться, чтобы взять под контроль закрутившийся "Джемини 8").
Один странный аспект ранней работы Годдарда с бензином и кислородом - это очень низкое отношение окислителя к топливу, которое он использовал. На каждый килограмм бензина он сжигал около 1,3 или 1,4 килограмма кислорода, когда три килограмма кислорода были бы ближе к оптимуму. В результате его двигатели работали очень плохо и редко достигали удельного импульса более 170 секунд. (Удельный импульс является показателем эффективности ракеты и ее ракетных двигателей, которая получается путем деления тяги ракеты в килограммах на расход топлива в килограммах в секунду. Например, если тяга составляет 200 килограмм, расход топлива - один килограмм в секунду, удельный импульс - 200 секунд). Очень вероятно, что он работал с таким соотношением, чтобы снизить температуру горения и продлить срок службы своего оборудования, то есть просто не дать двигателю сгореть.
Импульс новому поколению экспериментаторов был дан в 1923 году в книге совершенно неизвестного трансильванского немца Германа Оберта. Называлась она Die Rakete zu den Planetenraumen, или "Ракета для межпланетного пространства", и стала, на удивление, чем-то вроде небольшого бестселлера. Люди начали думать о ракетах - практически никто не слышал о Годдарде, который работал в преувеличенной и ненужной тайне, и некоторые из тех, кто думал о ракетах, решили заняться ими. Во-первых, они организовали общества. Verein fur Raumschiffart, или Общество космических путешествий, известное как VfR, было первым, в июне 1927 года. Американское межпланетное общество было основано в начале 1930 года, Британское Межпланетное Общество в 1933 году и две российские группы, одна в Ленинграде и одна в Москве, в 1929 году. Затем они читали лекции и писали книги о ракетах и межпланетных путешествиях. Вероятно, самой важной из них был чрезвычайно подробный труд Роберта Эсно-Пельтери "L'Astronautique" в 1930 году. А Фриц Ланг снял фильм о космических путешествиях: "Frau in Mond", или "Женщина на Луне", и нанял Оберта техническим советником. И было решено, что Ланг и кинокомпания (UFA) выделят деньги, необходимые Оберту для разработки и сборки жидкотопливной ракеты, которая будет запущена в качестве рекламы в день премьеры фильма
Приключения Оберта с киноиндустрией - и наоборот - стали настоящим театром абсурда (они были описаны в другом месте, с весёлыми подробностями), но привели к одному интересному, хоть и не завершённому, вкладу в технологию ракетного топлива.
Не имея возможности создать бензин-кислородную ракету к премьере фильма (отпущенное время было смехотворно коротко), Оберт спроектировал ракету, которая, он надеялся, могла быть изготовлена в спешке. Она состояла из длинной вертикальной алюминиевой трубы с несколькими стержнями из угля в центре, окруженными жидким кислородом. Идея заключалась в том, что угольные стержни должны были гореть сверху, с той же скоростью, что и потребляемый кислород, в то время как газообразные продукты сгорания выбрасывались через ряд сопел на верхнем (переднем) конце ракеты. К счастью, ему так и не удалось построить её, так как она бы, без сомнения, взорвалась. Но - это был первый сохранившийся проект гибридной ракеты - с твердым топливом и жидким окислителем. (В "обратном" гибриде используется твердый окислитель и жидкое топливо).
Так или иначе премьера состоялась 15 октября 1929 года (без запуска ракеты), а VfR (после оплаты нескольких счетов) стал наследником оборудования Оберта и мог начать работу в начале 1930 года.
Но здесь история начинает усложняться. Неизвестные VfR и кому либо ещё, по крайней мере три другие группы вели серьёзную работу. Одну из них возглавлял Ф. А. Цандер в Москве. Он был авиационным инженером, который много писал - и изобретательно - о ракетах и космических путешествиях, и в одной из своих публикаций предположил, что космонавт может экономить топливо, подражая Филеасу Фоггу. После опорожнения топливного бака, космонавт мог просто перемолоть его и добавить порошкообразный алюминий к топливу, соответственно увеличив его теплотворную способность! Это подражание герою "Вокруг света за восемьдесят дней", который, израсходовав уголь, сжег часть своего корабля, чтобы продолжить путешествие, не пошло дальше бумаги. Эксперименты Цандера были не столь фантастичны. Он начал работать в 1929 году, сначала с бензином и сжатым воздухом, а затем, в 1931 году, с бензином и жидким кислородом.
Другая группа находилась в Италии во главе с Луиджи Крокко и неохотно финансировалась Итальянским генеральным штабом *.
Крокко начал работать на жидкостными ракетами в 1929 году, а к началу 1930 года был готов к испытательным прожигам. Его работа отличается не только удивительной продуманностью конструкции двигателя, но прежде всего его компонентами, он использовал бензин в качестве топлива, что неудивительно, но для окислителя он отказался от кислорода и использовал тетраоксид азота, N2O4 . Это был большой шаг -- тетраоксид азота, в отличие от кислорода, можно хранить неограниченно при комнатной температуре, - но никто за пределами этой небольшой группы не слышал о его работе в течение двадцати четырех лет!
В. П. Глушко, еще один авиационный инженер, возглавлял ракетную группу в Ленинграде. Он предложил суспензии порошкообразного бериллия в масле или бензине в качестве топлива, но в своих первых прожигах в 1930 году использовал толуол. И сделал тот же шаг - независимо от Крокко. Он использовал тетраоксид азота как окислитель.
Когда они начали работать, VfR совершенно не знал об этом. Первоначально Оберт хотел использовать метан в качестве топлива, но поскольку в Берлине его было трудно найти, их первая работа была связана с бензином и кислородом. Йоханнес Винклер, однако, подхватил эту идею и, работая независимо от VfR, смог запустить жидкостный кислородно-метановый двигатель до конца 1930 года. Эта работа ни к чему не привела, в частности, поскольку метан имеет производительность лишь незначительно выше, чем у бензина, и гораздо сложнее в обращении, никто не видел смысла следовать за ним.
Гораздо важнее были опыты Фридриха Вильгельма Сандера, пиротехника по профессии (он делал пороховые ракеты для продажи), который запустил свой двигатель в начале марта 1931 года. Он был немного застенчив в отношении своего топлива, назвав его просто "носителем углерода", но Вилли Лей предположил, что это мог быть легкий мазут, или бензол, в котором было размешано значительное количество порошкообразного угля или ламповой сажи. Будучи пиротехником, Сандер, естественно, думал об угле как о горючем, а год назад Герман Ноордунг (псевдоним капитана Потокника из старой имперской австрийской армии) предложил взвесь угля в бензоле в качестве топлива. (Идея заключалась в том, чтобы увеличить плотность топлива, чтобы могли использоваться меньшие емкости.) Важная вещь в работе Сандера заключается в том, что он ввел еще один окислитель - красную дымящуюся азотную кислоту. (Это азотная кислота, содержащая значительные количества - от 5 до 20 или около того процентов) растворенного в воде тетраоксида азота.) Его эксперименты стали началом одной из главных линий разработки ракетного топлива.
Эсно-Пельтери, пионер авиации и авиационный инженер, в течение 1931 года работал сначала с бензином и кислородом, а затем с бензолом и тетраоксидом азота, являясь третьим экспериментатором, который самостоятельно исследовал этот окислитель. Его работа с бензолом (как и толуолом у Глушко) в качестве топлива довольно странна. Ни один из них не превосходит бензин в плане производительности, и оба намного дороже. Затем Эсно-Пельтери попытался использовать тетранитрометан, C(N02)4 в качестве окислителя и вскоре потерял четыре пальца. (Это проишествие должно было стать типичным для работы TNM.)
Глушко в Ленинграде продолжил там, где Сандер остановился, и с 1932 по 1937 год с большим успехом работал с азотной кислотой и керосином. Эта комбинация до сих пор используется в СССР. И в 1937 году, несмотря на опыт Эсно-Пельтери, который был широко известен, он успешно прожёг керосин и тетранитрометан. Однако эта работа не была продолжена.
В конце 1931 года Клаус Ридель из VfR разработал двигатель для новой топливной комбинации, и он был испытан в начале 1932 года. В нем, как обычно, использовался жидкий кислород, но топливо, задуманное Риделем и Вилли Леем, представляло собой смесь этилового спирта и воды в соотношении 60%-40%. Производительность была несколько ниже, чем у бензина, но и температура пламени была намного ниже, охлаждение было проще, а оборудование работало дольше. Это был основной вклад VfR в разработку топлива, приведший прямо к A-4 (или V-2), и он был последним. Вернер фон Браун начал работу над своей докторской диссертацией по процессам горения на Куммерсдорфе-Вест в ноябре 1932 года под эгидой армии, а гестапо занялось остальной частю VfR, и общество было мертво к концу 1933 года. (J. D. Clark переоценивает роль гестапо. Общество испытывало финансовые трудности, а власти Берлина были недовольны опасными экспериментами поблизости от города.- Перев.)
Д-р Эйген Зенгер из Венского университета провёл длинную серию тестов в 1931 и 1932 годах. Его ракетные топлива были достаточно обычными - жидкий (или иногда газообразный) кислород и легкое дизельное топливо - но он применил хитроумный химический трюк, чтобы запустить двигатель. Зенгер заполнял часть топливной магистрали перед камерой сгорания диэтилцинком, который действовал как то, что мы теперь называем "гиперголический воспламенитель". Когда диэтилцинк впрыскивался в двигатель и смешивался с кислородом, он самопроизвольно воспламенялся, так что, когда поступало жидкое топливо, огонь уже хорошо горел. Он также составил длинный список, первый из многих, возможных видов топлива, от водорода до чистого углерода, и рассчитал производительность каждого из них с кислородом и с N2O5. (Последний будучи не только нестабильным, но и твёрдым, никогда не применялся). К сожалению, в своих расчетах он несколько наивно предполагал 100% тепловую эффективность, которая предполагала бы либо (a) бесконечное давление в камере, либо (б) нулевое давление выхлопных газов на выходе, срабатывающее только в идеальном вакууме, и в любом случае требующее бесконечно длинное сопло, что может вызвать некоторые трудности при изготовлении. (Тепловая эффективность в ракете обычно составляет около 50 или 60 процентов). Он также предположил, что озон может использоваться в качестве окислителя, и, как и Цандер, что порошкообразный алюминий может быть добавлен к топливу.
Тогда же у Луиджи Крокко в Италии появилась другая идея, и он смог договориться с Министерством Авиации о финансировании испытаний. Это было монотопливо. Однокомпонентное топливо представляет собой жидкость, которая сама по себе содержит как топливо, так и окислитель в виде одной молекулы, такой как метилнитрат, CH3NO3, в которой кислород может сжигать углерод и водород, или в виде смеси топлива и окислителя, такого как раствор бензола в N2O4. На бумаге идея выглядит привлекательно. У вас есть только одна жидкость для впрыскивания в камеру, что упрощает трубопроводы, соотношение смеси определено заранее и остаётся постоянным всегда, вам не нужно беспокоиться о том, чтобы создать инжектор, который будет правильно смешивать топливо и окислитель, и всё становится проще. Но! Любая смесь топлива и окислителя является потенциальным взрывчатым веществом, а молекула с одним восстанавливающим (топливным) концом и одним окисляющим концом, разделенная парой скрещенных пальцев, является приглашением к катастрофе.
Крокко всё это знал. Но с храбростью, которую трудно отличить от безумия, он начал в 1932 году длинную серию опытов с нитроглицерином (ни много ни мало!), который оставался стабильным только при добавлении 30% метилового спирта. Каким-то чудом ему удалось избежать самоубийства, и он продолжил работу над несколько менее чувствительным нитрометаном, CH3NO2. Его результаты были многообещающими, но деньги закончились в 1935 году, и ничего не последовало далее.
Другим ранним исследователем монотоплива был Гарри У. Булл, который работал самостоятельно в университете Сиракуз. К середине 1932 года он использовал газообразный кислород для сжигания бензина, эфира, керосина, мазута и спирта. Позже он безуспешно пытался сжигать спирт с 30% перекисью водорода (самая высокая концентрация в США в то время) и сжигать скипидар с (вероятно 70%) азотной кислотой. Затем, в 1934 году, он попробовал монотопливо собственного изобретения, которое он назвал "Atalene", но не указал состав. Оно взорвалось и отправило его в больницу. Тупик.
Гельмут Вальтер в Химическом государственном институте в Берлине в 1934 и 1935 годах разработал монотопливный двигатель, использующий 80% перекись водорода, которая только недавно стала доступной. При соответствующем катализе или нагревании перекись водорода разлагается на кислород и перегретый пар и, таким образом, может использоваться в качестве монотоплива. Эта работа не была обнародована - Люфтваффе увидело применение для неё, - но она была продолжена и привела ко многим вещам в ближайшие несколько лет.
Последняя строго предвоенная работа, которую следует рассмотреть, - это работа группы Фрэнка Малина в GALCIT. (Guggenheim Aeronautical Laboratories, Калифорнийский технологический институт). В феврале 1936 года он запланировал свой кандидатский проект - разработку жидкостной ракеты-зонда. Группа, которая должна была выполнить эту работу была укомплектована к лету 1937 года: шесть человек, включая самого Малина, Джона У. Парсонса, химика группы, Велда Арнольда, который принёс немного денег, и Сюй Шень Цзянь, который тридцатью годами позже должен был стать известным как создатель баллистических ракет коммунистического Китая. Зоркий глаз Теодора фон Кармана приглядывал за всеми.
Первое, что нужно было сделать, - научиться управлять жидкостным ракетным двигателем и экспериментальные прожиги с этой целью начались в октябре 1936 года. Метанол и газообразный кислород были выбраны в качестве компонентов. Но другие топлива были так же рассмотрены, и к июню 1937 года Парсонс составил список и рассчитал характеристики (считая, как и Зангер, 100% эффективность) десятков комбинаций. Помимо топлива Зангера он включал различные спирты, насыщенные и ненасыщенные углеводороды и такие экзотические вещества, как метоксид лития, декаборан, гидрид лития и триметилалюминий . Он перечислил кислород, красную дымящую азотную кислоту и тетраоксид азота в качестве окислителей.
Следующей парой, которую группа исследовала тогда, были тетраоксид азота и метанол. Испытания начались в августе 1937 года. Но Малина вместо того, чтобы работать на открытом воздухе, как это сделал бы любой здравомыслящий человек, последовал дурному совету и проводил испытания в Машиностроительном корпусе, который в результате утечки заполнился смесью метанола и паров N2O4. Последние, вступая в реакцию с кислородом и влагой в воздухе, превращались в азотную кислоту, которая разъедала дорогостоящее оборудование в здании. Популярность Малины у руководства совершила головокружительное падение, он, его оборудование и сообщники были выкинуты из здания, и впоследствии он был известен как глава "группы самоубийц". Пионеров редко ценят.
Но группа продолжала свою работу до 1 июля 1939 года, когда по инициативе генерала Хэпа Арнольда Авиационный корпус Армии США спонсировал проект по созданию JATO (jet-assisted take-off) - реактивного ускорителя, чтобы помочь тяжело нагруженным самолетам взлетать с коротких взлетно-посадочных полос.
Отныне исследования по ракетам должны были оплачиваться военными, и их следовало засекретить. GALCIT потеряла девственность с первым взрывом Малины. Теперь она прекратила самодеятельность.
Пенемюнде и JPL
В ноябре 1932 года фон Браун начал работу над своей докторской диссертацией (процессы горения ракетного топлива). Все его экспериментальные работы проводились на Куммерсдорф-Вест, артиллерийском полигоне под Берлином, а рейхсвер оплатил найм и создал вокруг него ракетное заведение . Получив высшее образование, в 1937 году он был назначен техническим директором организации, которая вскоре была переведена в Пенемюнде.
Там была спроектирована и разработана A-4, более известная под её пропагандистским названием "V-2".
Иследования топлива при разработке A-4 были очень незначительными. С самого начала жидкий кислород был выбран окислителем, а 70% этиловый спирт топливом (как это сделал VfR). 80% перекись водорода Гельмут Вальтер использовал для привода топливных насосов. Перекись поступала в камеру разложения, где смешивалась с небольшим количеством раствора перманганата кальция в воде. Это катализировало её разложение на кислород и перегретый пар, которые приводили в движение турбины насосов, которые заставляли жидкий кислород и спирт поступать в главную камеру сгорания.
А-4 была стратегическим оружием дальнего действия, не предназначенным для стрельбы в любой момент. Её было необходимо предварительно установить, а затем заправить алкоголем и кислородом непосредственно перед стрельбой. Но рейхсверу требовались зенитные ракеты, которые всегда были готовы к выстрелу. Когда вы получаете предупреждение от ваших наблюдателей о том, что бомбардировщики на подлёте, у вас нет времени для заправки ракеты жидким кислородом. Вам понадобится другое топливо, которое можно загрузить в цистерны заблаговременно, и хранить там до тех пор, пока вы не нажмёте кнопку. Вы не можете сделать это с кислородом, который нельзя поддерживать жидким при температуре выше -119 ® C, критической при любом давлении.
Рейхсвер не спешил осознавать необходимость ракет типа АА (anti-aircraft - зенитные ракеты. перев). Возможно, они верили Герману Герингу, когда он хвалился: "Если хоть одна британская бомба упадёт на Берлин, зовите меня Майер!" - но когда они это сделали, они обнаружили, что работа над топливом, которое можно хранить, уже началась. Сначала она концентрировалась на Витте Верке Гельмута Вальтера в Киле. Как уже упоминалось, высококонцентрированная перекись водорода (80-83%) впервые появилась примерно в 1934 году, и Вальтер использовал её в качестве монотоплива, чем Люфтваффе чрезвычайно заинтересовалось. Как и генерал Арнольд в США, они смогли оценить тот факт, что ракета JATO позволила бы взлететь бомбардировщику с более тяжелой нагрузкой, чем это обычно могло бы иметь место, и к февралю 1937 года ускоритель Вальтера на перекиси водорода помог самолету Heinkel Kadett оторваться от земли. Позже в этом году был запущен самолет с ракетным двигателем - снова с использованием перекиси водорода. Перехватчик Messerschmitt 163-A использовал то же самое топливо.
Но пероксид - это не только монотопливо, но и очень хороший окислитель. И Вальтер разработал для него топливо, которое он назвал "C-Stoff". (Сам пероксид назывался "T-Stoff".) Гидразин-гидрат, N2H4-H2O самопроизвольно воспламеняется при контакте с пероксидом (вероятно, Вальтер был первым, обнаружившим это явление), а C-Stoff состоял из 30% гидразин-гидрата, 57% метанола и 13% воды, плюс тридцать миллиграммов на литр меди в виде цианида, чтобы действовать в качестве катализатора воспламенения и горения. Причиной выбора метанола и воды был тот факт, что гидразин-гидрат был труднодоступным - на самом деле настолько, что к концу войны его доля в C-Stoff снизилась до пятнадцати процентов. Перехватчик Messerschmitt 163-B использовал C-Stoff и T-Stoff.
Следующей организацией, попавшей в ракетный бизнес, был Институт аэронавигационных исследований в Брауншвейге. Там, в 1937-1938 годах, д-р Отто Лутц и д-р Вольфганг К. Ноггерат начали работать над комбинацией C-Stoff-T-Stoff. Далее Люфтваффе пригласили BMW (Bavarian Motor Worksyes, люди, которые делают мотоциклы). В разработке участвовал Хельмут Филип фон Зборовски, племянник знаменитого до Первой мировой войны гонщика, и Хайнц Мюллер в качестве его помощника. Летом 1939 года BMW получила контракт на разработку блока JATO, используя комбинацию C-T-Stoff, и они работали с ней в течение нескольких месяцев. Но фон Зборовски был убежден, что 98% азотная кислота является лучшим окислителем, а также её намного легче достать (I.G. Farben гарантировал неограниченное количество), и решил отстоять свою точку зрения. С начала 1940 года он и Мюллер работали над сочетанием азотной кислоты и метанола, и в 1941 году он убедительно доказал свою правоту, проведя идеальный тридцатисекундный прожиг с тягой около трех тысяч фунтов. Он даже переубедил Эйгена Зенгера, который был уверен, что кислород - единственный окислитель, о котором стоит думать.
А в это время, в начале 1940 года, он и Мюллер сделали чрезвычайно важное открытие: некоторые виды топлива (анилины и скипидар были первыми из обнаруженных) воспламенялись спонтанно при контакте с азотной кислотой. Ноггерат узнал об этом и присоединился к людям из BMW в поисках топлива с этим интересным свойством. Он использовал кодовое название "Игнол" для азотной кислоты и "Эрголь" для топлива. Подвижный человек с греческими корнями, он придумал название "Гиперголь" для самовоспламеняющихся веществ. "Гиперголь" и его производные, такие как прилагательное "гиперголик", стали неотъемлемой частью не только немецкого, но и английского языка, и даже, несмотря на усилия Шарля де Голля сохранить язык в "чистоте" и французского.
Открытие гиперголичности имело большое значение. Работа ракетного двигателя относительно проста. Заглушить его без взрыва уже сложнее. Но запустить его без катастрофы - настоящая проблема. Иногда используются электрические воспламенители - иногда пиротехнические устройства. Но им не всегда можно доверять, и это становится неприятным дополнительным затруднением, когда у вас уже больше трудностей, чем вы хотите. Очевидно, что если вы выбрали гиперголики, вы можете выбросить все схемы и устройства зажигания, и пусть химия сделает свою работу. Всё становится намного проще и надежнее.
Но, как обычно, есть нюанс. Если компоненты топлива попадают в камеру сгорания и сразу же воспламеняются, вы в деле. Но если они собираются в лужу, а затем воспламеняются, у вас происходит взрыв, который обычно разрушает двигатель и всё поблизости. Принятый эвфемизм для этой последовательности событий - "жёсткий старт". Таким образом, самовоспламенение должно быть очень быстрым, или оно хуже, чем бесполезно. Немцы установили допустимый верхний предел на задержку зажигания в 50 миллисекунд.
Кстати, чтобы упорядочить отчёты, Зборовски выбирал для его пропеллентов названия растений. Азотную кислоту он назвал "Salbei" - шалфей, а горючее "Tonka" (диптерикс душистый -- прим.перев.), по имени бобов, из которых извлекают пахнущий ванилью кумарин. Учитывая запах веществ, с которыми он работал, я не могу придумать более неподобающие имена.
Первые тесты задержки зажигания были, мягко говоря, несколько примитивными. После долгого ночного поиска в старых текстах с описаниями веществ, которые сильно реагируют с азотной кислотой, Зборовски и Мюллер пропитывали протирочную тряпку многообещающим кандидатом, опрыскивали её азотной кислотой и смотрели, как быстро она взрывалась или воспламенялась. И они столкнулись со своеобразным явлением. Старая протирочная тряпка из механического цеха иногда зажигалась гораздо быстрее, чем новая, пропитанная таким же топливом. Ответ нашли в химической лаборатории. Следы железа и меди из цеха, как и другие металлы или их соли, катализировали реакцию воспламенения. Поэтому они модифицировали свою 98% азотную кислоту "Salbei", добавив к ней 6% гидратированного хлорида железа и назвали его новым окислителем "Salbeik". Метод протирочной тряпки вскоре был заменен более сложным устройством, с помощью которого вы могли капнуть одну каплю потенциального топлива в наперсток кислоты и определить ее гипергольные свойства с меньшим риском сжечь всю мастерскую. Следующие четыре года BMW с одной стороны и Ноггерат с другой, испытывали на гиперголичность всё, что попадало в их руки. В BMW, где разработкой ракетного топлива руководил Герман Хемесат, было опробовано более 2000 перспективных видов топлива. Очень скоро I.G. Farben в Людвигсхафене начала делать то же самое. С прискорбным отсутствием воображения, в Farben сначала избегали кодовых имен и маркировали их смеси номерами вида T93/4411.
Топлива, которые разрабатывали три организации, были многочисленными и разнообразными, но в то же время очень похожими, поскольку было ограниченное количество соединений, которые были гиперголичны с азотной кислотой и доступны в любом количестве. Самовоспламенялись третичные амины, такие как триэтиламин и в еще большей степени ароматические амины, такие как анилин, толуидин, ксилидин, N-метиланилин. Большинство испытуемых смесей, - о чистых топливах, состоящих из одного соединения никто не слышал, - были основаны на семействе анилина, часто с добавлением триэтиламина, а иногда и таких вещей, как ксилол, бензол, бензин, тетрагидрофуран, пирокатехин и иногда других алифатических аминов. BMW Tonka 250 состоял из 57% необработанного ксилидина и 43% триэтиламина (он использовался в ракете "Тайфун"), а Tonka 500 содержал толуидин, триэтиламин, анилин, бензин, бензол и сырой ксилидин. Ноггерат добавил фурфуриловый спирт к Tonka 250, чтобы получить "Ergol-60", который он считал "лучшим" гиперголиком и сообщил, несколько задумчиво, что фурфуриловый спирт легко доступен в Соединенных Штатах, чего не было в Германии.
Как только один из исследователей находил смесь, которая ему нравилась, он подавал заявку на патент. (Такая заявка, вероятно, даже не рассматривалась бы в соответствии с гораздо более жесткими патентными законами США). Не удивительно, что все, и Хемесат, и Ноггерат в частности, вскоре обвиняли друг друга в краже их патентов. В 1946 году, когда Хайнц Мюллер приехал в эту страну, он снова встретился с Ноггератом и обнаружил, что тот всё ещё негодует, вспыхивая: "BMW, особенно Хемесат, отобрал у нас множество патентов!"
В 1942 или 1943гг. в I.G. Farben сместили акцент своей работы с тех смесей, с которыми они работали сначала, и которые были настолько похожи на Тонки и Эрголы, на ряд видов топлива, основанных на "Вислотах", которые были виниловыми эфирами. Виниловые эфиры были очень гиперголичны с MS-10, смесью кислот, состоящей из 10% серной кислоты и 90% азотной кислоты, и запаздывание зажигания было менее чувствительным к температуре, чем при чистой азотной кислоте. (Это была серьезная проблема: пара пропеллентов могла зажечься за 50 миллисекунд при комнатной температуре и подождать около целой секунды при 40 градусах ниже). Кроме того, верили, почти как в священную догму, что MS-10 не корродирует нержавеющую сталь. Это заблуждение длилось пять лет, прежде чем было опровергнуто.
Типичная смесь, запатентованная доктором Хеллером в 1943 году, состояла из 57,5% Visol-1 (винилбутилового эфира) или Visol-6 (винилэтилового эфира) - 25,8% Visol-4 (дивинилбутандиоолефина) -- 15% анилина и 1,7% пентакарбонила железа или нафтената железа. (Хеллер был вынужден добавить железный катализатор в топливо, а не в окислитель, так как последний содержал серную кислоту, а сульфаты железа нерастворимы в азотной кислоте.) Было много вариаций этих видов топлива, причем винилизобутиловый эфир иногда заменяли на н-бутиловое соединение. Всего было опробовано более 200 смесей, из которых менее 10 были признаны удовлетворительными. "Оптолин" представлял собой смесь анилина, визола, ароматических соединений, иногда аминов, бензина и пирокатехина. В зенитной ракете Wasserfall использовалось топливо Visol.
Некоторые пытались обнаружить добавки, которые в небольших количествах превращали бы бензин или бензол или метанол в гиперголик с кислотой. Такие соединения, как карбонил железа и селенид натрия, были более или менее успешными, но успех был в лучшем случае академическим, поскольку все полезные добавки были либо слишком редкими, либо слишком дорогими, либо слишком активными для применения.
Но азотная кислота безусловно стала победителем. Многие немецкие ракеты конструировались, в первую очередь, в расчёте на перекись водорода, но в ходе войны подводные лодки типа XII с двигателем Вальтера грозили забрать весь объем производства, и поскольку работа с азотной кислотой была настолько успешной, переход на этот окислитель для ракет стал неизбежен. В течение этого периода были рассмотрены многие другие комбинации, кроме тех, которые фактически были опробованы, и рассчитаны их теоретические характеристики. Эти расчеты не были ранними наивными оценками Зенгера и других, но рассматривали давление горения, давление выхлопных газов, тепловую эффективность, температуру горения, диссоциацию - весь процесс. Такие точные расчёты являются чрезмерно скучными - один, сделанный с настольным калькулятором, может легко занять целый день. Но д-р Грете Рэнд и другие продирались сквозь них, рассматривая как топливо спирт, спирт-воду, бензин, дизельное топливо, аммиак, пропаргиловый спирт и бог знает что еще, а в качестве окислителей кислород, азотную кислоту, N2O4, тетранитрометан, озон и OF2, хотя исследователи так и не смогли получить в руки достаточное количество последнего, чтобы определить его характеристики. И уже в 1943 году они подумывали о применении трифторида хлора, который до этого был всего лишь объектом для любопытных экспериментов в лаборатории. Но он недавно был запущен в производство - его предполагалось использовать в качестве зажигательного вещества - и они также рассчитали его эффективность с использованием аммиака и с такими странностями, как суспензия углерода в воде.
Один расчет, сделанный в это время д-ром Ноггератом, показал, что если бы пропелленты в А-4 были заменены азотной кислотой и дизельным топливом, дальность полета ракеты была бы увеличена на значительный процент - не потому, что они были лучше, чем используемая на самом деле кислородно-спиртовая комбинация, а потому, что их более высокая плотность позволяла добавить в цистерны больше топлива. Этот расчет не имел особого эффекта в то время, хотя A-10, планируемый преемник A-4, должен был использовать новую комбинацию, но спустя несколько лет в России последствия были шумными.
Окислителем, который всегда "имели в виду", был тетранитрометан. Это хороший окислитель с несколькими преимуществами. Его можно хранить, он имеет лучшую производительность, чем азотная кислота, и довольно высокую плотность, поэтому вы можете держать его в небольшом резервуаре. Но он тает при температуре +14®С, так что в любое время, кроме жаркого лета, он замерзает. И он может взорваться - как Эсно-Пельтери обнаружил, и разрушил по крайней мере одну немецкую лабораторию. Эвтектическая смесь с N2O4, 64% TNM и 36% N2O4, не замерзает выше -30®C, и значительно менее чувствительна, чем чистый TNM, но она по-прежнему считалась опасной, и Ноггерат отказался иметь с ней какие-либо дела и даже держать её в лаборатории. Но инженеры не забывали о нём, и когда они получили (полностью ложный) разведывательный отчет о том, что он широко используется в Соединенных Штатах, немцы героически начали синтезировать TNM и накопили около восьми или десяти тонн к концу войны. Никто так и не нашёл ему практического применения.
Другой идей, не нашедшей применения, было гетерогенное топливо - суспензия порошкообразного металла, такого как алюминий, в жидком топливе, таком как бензин. Его предложили несколько авторов, среди которых были Цандер в России и Зенгер в Австрии, а Хайнц Мюллер из BMW опробовал его, используя порошкообразный алюминий или магний в дизельном топливе. Рабочие характеристики были очень низкими - давление в камере составляло от 50 до 100 фунтов на квадратный дюйм вместо предполагаемых 300, из-за неполного сгорания металла. Но другой результат опытов был впечатляющим. Двигатель работал в горизонтальном положении, напротив наклонной стены, отклонявшей поток выхлопных газов вверх. Не сгоревшие частицы металла осели и украсили все сосновые деревья в окрестностях красивым блестящим серебристым налётом, очень подходящим для Рождественских елок. Суспензии вернутся снова через двадцать лет, вдохновляя следующее поколение сумасшедших экспериментаторов.
Опыты с монотопливами (которые называли "Монерголями") продолжались до конца войны. В 1937-1938 гг. были предприняты работы с растворами N2O или NH4NO3 в аммиаке. (Последняя, под названием "смесь Драйвера", была известна много лет.) Их единственным результатом была удручающая серия взрывов и разрушенных двигателей. А в Пенемюнде д-р Вармке пытался растворить алкоголь в 80% H2O2 и затем запустить это в двигателе. Он взорвался и убил его. Фирма Шмиддинга, тем не менее, продолжала экспериментировать с монотопливом, которое они называли "Myrol", смесью 80% метилнитрата и 20% метанола - очень похожей на смесь нитроглицерина и метанола, которую Крокко испытывал несколько лет назад. Им удалось прожечь топливо и получить довольно многообещающие результаты, но они страдали от взрыва за взрывом и никогда не могли сделать систему надежной.
И наконец была комбинация топлива, которую люди из BMW и ARIB называли "Lithergols",- возврат к гибридному двигателю, который пытался создать Оберт во время работы на UFA. Перекись или закись азота, N2O, впрыскивали в двигатель, в котором были закреплены несколько палочек из пористого углерода. Закись азота может экзотермически разлагаться на кислород и азот, так же как перекись водорода на кислород и водяной пар и, таким образом, может действовать как монотопливо, но экспериментаторы хотели получить дополнительную энергию от сгорания углерода с образовавшимся кислородом. Когда они сдались американцам в конце войны, они заверили своих пленителей, что для правильной работы системы требуется лишь чуть больше инженерных работ. На самом деле прошло около двадцати лет, прежде чем кто-либо смог создать работающий гибрид.
Тем временем на ранчо -
Самое поразительное в исследованиях топлива в Соединенных Штатах в годы войны - это то, насколько близко они были похожи на работы в Германии. Правда, там не было американской А-4, а концентрированная перекись водорода была недоступна в этой стране, но другие события были очень похожи.
Как упоминалось в предыдущей главе, первой работой GALCIT для вооруженных сил было создание JATO, чтобы помочь бомбардировщикам Воздушного корпуса отрываться от земли. И Воздушный корпус потребовал хранимый окислитель - они не собирались, повторяю, не собирались валять дурака с жидким кислородом.
Итак, первым делом был выбор окислителя. Кислород и озон, ни один из них не подлежал хранению, очевидно, выбыли из игры. Хлор имел недостаточно энергии, и Малина, Парсонс и Форман после изучения с помощью доктора Х. Р. Муди, посчитали N2O4 непрактичным. Сложно сказать почему, возможно крайне ядовитая природа зверя, имела какое-то отношение к отказу.
Геринг действительно произнёс похожую фразу, но про Рур. Когда союзники начали массированные бомбардировки Германии, народная молва заменила Рур на Берлин. Фамиля Майер очень распространена в Германии, так что его бахвальство звучало примерно как "Я буду не Геринг, если хоть одна бомба и т.д"