Из ряда китайских манускриптов и дошедших до наших дней рисунков следует, что на заре нашей эры в императорской армии использовали так называемые «зажигательные или огненные стрелы». Они представляли собой обычную стрелу, возле острого наконечника которой привязывали горючий материал, пропитанный смолой или маслом. Воспламенив этот состав, стрелу запускали из лука. Дым и огонь от летящей стрелы должны были запугивать противника и устраивать пожары.
После изобретения пороха к древку стрелы стали привязывать мешочек с порохом, мешочек со временем трансформировался в трубку. Трубки, до отказа заполненные порохом, не имели ни сопла, ни углубления, получившего впоследствии название ракетной пустоты. Поэтому такая конструкция не давала никакого реактивного эффекта, а служила только для поддержания яркого огня при быстром полете стрелы.
Тем не менее эти описания в виде легенд и мифов стали питательной средой для формирования в историко-научной литературе мнения о том, что китайские зажигательные стрелы были примитивными пороховыми ракетами [37].
Что касается появления пороховых ракет в Европе, то исследователи истории развития твердотопливных ракет Е.Б. Волков, Г.Ю. Мазинг и В.Н. Сокольский по этому вопросу пишут:
«Хотя в отдельных литературных произведениях и исторических источниках встречаются сведения, дающие основание предполагать о возможности применения в Европе ракет во время боевых действий в XIII веке, однако во всех указанных случаях речь шла о применении устройств, напоминающих ракеты, не европейцами, а их противниками».
Противниками же были монгольские завоеватели, которыми под руководством полководцев Байдара и Орду в период с января по март 1241 года была захвачена практически вся Польша, сожжены такие города, как Краков, Вроцлав, Люблин и другие. В это же время армия хана Батыя ураганом пронеслась через Россию, затем по территории Венгрии и в марте 1242 года двинулась в Сербию и Болгарию [92]. По-видимому, именно с этими событиями связан опубликованный в 1248 году труд английского философа Р. Бэкона, описывающий появление первых пороховых ракет в Европе.
Другим документом о ракетах, дошедшим до наших дней, является рукопись Конрада Кьезера фон Айхштадта, датированная 1405 годом и хранящаяся в университетской библиотеке в Геттингене. Исследователи, изучавшие эту рукопись, пришли к выводу, что она представляет собой описание арабских или византийских достижений в области создания пороховых ракет, которые привозили и использовали в Европе. В рукописи приведены составы дымного пороха, упоминается о гильзах – трубках из пергамента, ракетных стержнях для стабилизации полета ракет. Таким образом, рукопись К. Кьезера дает некоторые представления о состоянии ракетных дел в Европе в конце XIV – начале XV века [37].
Следует отметить, что Р. Бэкон приводит только описание ракет, в рукописи же К. Кьезера на простеньких рисунках изображены корпуса ракет, представляющие собой трубки, свернутые из пергамента. Передний конец трубки завязывали тесьмой, а в противоположном торце трубки закрепляли дюзу – деревянную пробку с отверстием в центре. Для изготовления пергамента использовали шкуры телят, овец, коз и других животных.
Другим информативным трудом в области изготовления ракет является рукопись Конрада Хааса. В настоящее время она хранится в Государственном архиве Румынии.
Рисунки из рукописи К. Хааса подтверждают смысл, который вкладывали китайские и многие восточные историографы, описывая «огненные стрелы» с боевым зарядом и треугольными стабилизаторами. Однако на рисунках видно, что «стабилизаторы» – это тривиальное оперение стрел, и на торцевой части древка стрелы виден паз для тетивы лука. Стрела, несущая привязанный к ней пороховой заряд, – это еще не ракета. Другие рисунки дают некоторые представления об уровне развития пороховых ракет начала XV века.
Революционным событием, оказавшим колоссальное влияние на развитие человечества, стало изобретение печати книг с подвижных металлических наборных литер. Первые книги немецкого изобретателя печати Иоганна Гутенберга появились в Германии в 40-х годах XV века, а к концу 1500 года в Европе действовали уже 1700 типографий [64]. Сегодня, в двадцать первом веке, можно сказать, что книги И. Гутенберга были первым в мире средством массовой информации.
Тиражирование информации в виде печатных работ, их широкое распространение за пределы одного государства, массовая аудитория читателей – это не единственные достоинства изобретения И. Гутенберга. С этого момента исчезла опасность утраты какой-либо информации, накапливаемой человечеством в процессе своего развития. Уничтожение одной или нескольких печатных книг, в отличие от рукописей, уже не приводит к катастрофической потере информации. Исключаются многие ошибки, которые возникали при расшифровке манускриптов и рукописных книг, написанных не всегда внятным каллиграфическим почерком.
Благодаря печатной технологии до наших дней в первозданном виде дошли многие гениальные шедевры творческой деятельности наших предков, во всех сферах их жизнедеятельности. Среди них находится и монография – трактат Каземира Симиновича «Artis magnae artilleriae, pars prima», в переводе на русский язык – «Великое искусство артиллерии, часть первая».
Один из сохранившихся экземпляров первого тиража хранится в Университете Лозанны. В настоящее время оригинал книги на латинском языке, международном языке того времени, оцифрован компанией Google и выложен в Интернете [133].
Книга издана в 1650 году. Кроме 304 страниц текста, она содержит 22 страницы с таблицами и 206 – с рисунками, сделанными самим Каземиром Симиновичем. Монография произвела фурор в среде военных и специалистов в области артиллерии и ракетной техники того времени. В 1651 году она издается на французском языке, в 1676-м – на немецком языке, в 1729 году монография К. Симиновича издается в Лондоне на английском языке. К этому следует добавить, что трактат К. Симиновича был в личной библиотеке Петра I.
Фактически разделы книги К. Симиновича, посвященные ракетной технике, представляют собой учебно-методические пособия по конструированию и подробные технологические инструкции по производству ракет различного назначения – боевые, сигнальные, осветительные, для фейерверков.
Автор подробно излагает технологию изготовления черного пороха. Приводит чертежи ракет, табличные справочные данные, рекомендует конструкционные материалы для изготовления ракет, дает описание технологических процессов всего производственного цикла – от изготовления ракет до их заправки порохом. Для каждого этапа технологического цикла К. Симинович предлагает эскизы технологического оборудования и оснастки. Более того, вводит подобие современного технического контроля – описывает возможные типовые ошибки в изготовлении ракет и рекомендует способы, как их избежать [132].
Вся эта информация была весьма полезна для современников К. Симиновича. А вот идеи компоновок ракет оказались востребованы и в двадцатом, и в двадцать первом веках.
Прежде всего, он обратил внимание на овальную конфигурацию сопла ракеты и ракетной пустоты в пороховом топливе, в виде острого угла. Именно эти элементы обеспечивают наибольшую тягу ракетного двигателя.
В монографии приведена конструкция ракеты, намного опередившая свое время, – составной трехступенчатой ракеты. Предложена узнаваемая идея компоновки ракеты в виде пакета ракетных двигателей, или, как еще называли этот вариант в двадцатом веке, связка ракет. Оба варианта конструкций ракет использованы при создании двухступенчатой пакетной компоновки ракеты, выведшей на околоземную орбиту советский первый искусственный спутник Земли. К. Симинович предложил вместо длинной деревянной рейки устанавливать треугольные стабилизаторы. Большинство современных ракет несут на себе подобные стабилизаторы. Более того, он приводит эскиз классической крылатой ракеты.
Ему же принадлежит идея управления траекторией полёта ракеты. На внешней стенке маршевого ракетного двигателя он предлагает закрепить небольшие ракетные двигатели. Располагают их по восходящей винтовой спирали, которую на эскизе Симинович начертил тонкой линией. Каждая маленькая ракета соединена поджигающим фитилем с рабочим телом (порохом) большой ракеты. После запуска ракета летит вертикально вверх до тех пор, пока пламя внутри большой ракеты не поднимется до поджигающего фитиля нижней боковушки. Её порох воспламеняется, возникшая небольшая сила тяги меняет вектор и соответственно траекторию полета ракеты. Затем аналогичным образом включается вторая боковушка, и ракета вновь меняет траекторию полета, потом третья боковушка…
Таким образом, продолжая подниматься вверх, ракета зигзагами мечется в небе, во время фейерверка – это красиво. Но любой, даже непосвященный в тайны космонавтики читатель, заметит, что с использованием небольших навесных ракетных двигателей, боковушек, осуществляются все маневры искусственных спутников, аппаратов и кораблей, бороздящих космическое пространство в XXI веке.
К. Симинович впервые предложил проект ракеты с разделяемой головной частью, содержащей четыре небольшие ракеты, в современной терминологии четыре боеголовки. В конце полета ракеты догорающий порох через отверстия в диафрагме, разделяющей головную часть ракеты от двигателя, поджигает пороховой заряд головной части ракеты. Взрыв разрушает корпус ракеты и одновременно поджигает порох четырех ракет, которые начинают полет каждая по своей траектории.
Это красиво при фейерверках и очень опасно для тех, над кем произойдет разделение головной части российской ракеты «Ярс».
Немного о главном конструкторе пороховых ракет семнадцатого столетия. Родился Каземир Симинович в 1600 году на территории современной Белоруссии, поэтому его считают белорусом. Польские историки считают его польским инженером. Литовские историографы утверждают, что он родился в семье литовского шляхтича. Невзирая на дискуссию о гражданстве автора, труды К. Симиновича интернациональны и принадлежат нашей цивилизации.
Однако, как в Книге Книг писал Екклесиаст, гл. 1, 10: «Бывает нечто, о чем говорят: «смотри вот это новое»; но это было уже в веках, бывших прежде нас». И действительно. Биограф Каземира Симиновича, П.К. Кравченко, в своей работе «Жизнь Каземира Симиновича и судьба его творения» писал: «Интересно, что К. Симинович точно предугадал судьбу своих открытий. Он писал, что его труды по прошествии столетий будут забыты, а его изобретения присвоят себе более поздние авторы» [79].
Труды Каземира Симиновича в значительной степени повсеместно способствовали развитию ракетной техники. Однако при этом никаких принципиальных нововведений в конструкцию ракеты не наблюдалось. В части технологии их изготовления предпринимались попытки кроме картонных корпусов ракет изготавливать их из дерева и покрывать парусиной, пропитанной горячим клеем [37]. Уровень развития ракетостроения к середине восемнадцатого столетия достиг своего апогея, наступил застой.
Иначе обстояли дела в промышленности. Бурно развивалась металлургия, формировалась металлообрабатывающая отрасль. Английский инженер Г. Корт в 1784 году запатентовал способ выделки листового железа методом прокатки заготовки металла между вращающимися валками. К началу восемнадцатого столетия листовой прокат производился уже в промышленных объемах.
В эти же годы, во время обороны города Серингапатам, индусы успешно применяли против английских захватчиков боевые пороховые ракеты, изготовленные из бамбука и снабженные деревянными хвостами для стабилизации полета. Учитывая эффективность нового оружия, некоторые образцы были вывезены в Англию. Там ими заинтересовался полковник Уильям Конгрев.
Изучив конструкцию оружия противника и технологию изготовления ракет, он первым заменил общепринятый в ракетной технике того времени картонный корпус ракеты металлическим. Кроме этого, путем логических умозаключений У. Конгрев перенес рейку, стабилизирующую полет ракеты, в центр, по продольной оси ракеты. Такое техническое решение способствовало повышению стабильности траектории полета ракеты [98].
Однако, как уже отмечалось, середина восемнадцатого века принципиальных новшеств в конструкцию пороховых ракет не привнесла. Обусловлено это было как отсутствием теории работы порохового двигателя, так и методик аэродинамических расчетов корпуса ракеты. А все усовершенствования ракет, из десятилетия в десятилетие, осуществлялись методом проб и ошибок, базировались на интуиции и догадках людей, занимающихся ракетным оружием.
Традиционная, выработанная веками технология изготовления пороховых ракет из картона, выявила самый простой, наиболее технологичный прием изготовления донной части ракеты – в виде выпуклой полусферы. При изготовлении дна из дерева для закрепления картонной гильзы с помощью затяжки бандажом на наружной поверхности заготовки протачивали кольцевые выемки.
Для того чтобы в этом месте не ослаблять деревянную конструкцию и одновременно уменьшить массу дна, внутреннюю поверхность дна вытачивали вогнутой, а внешнюю поверхность – выпуклой. Таким образом, не имея представления о законах аэродинамики сопла, древние создатели ракет нашли оптимальную конструкцию донной части ракеты.
Полковнику У. Конгреву достались индийские ракеты, изготовленные из бамбука.
Бамбук имеет полый стебель, от которого отходят побеги. В местах, где побеги выходят из стебля, образуются утолщения. Они называются узлами, а части ствола между узлами – междоузлиями. Высокая прочность междоузлия обеспечивается тем, что и верхнюю и нижнюю его поверхности природа сформировала в виде полусфер, направленных навстречу друг другу выпуклыми криволинейными поверхностями.
Индийскому создателю ракеты оставалось лишь просверлить по центру междоузлия отверстие и получалось вполне приличное сопло. Так благодаря простоте технологии изготовления ракет из картона с использованием дерева и ракет из бамбука, форма которого обусловлена природой самого бамбука, их сопла имели идентичные конфигурации.
Конгрев проигнорировал природную форму бамбукового сопла и пошел по технологическому пути. Дно своей железной ракеты он тоже сделал в виде полусферы. Но с целью упрощения операции присоединения дна к корпусу выпуклую часть дна он направил вовнутрь ракеты. Это была его грубая ошибка. Форма сопла бамбуковой ракеты способствует формированию ламинарного потока газообразных продуктов сгорания пороха. Поэтому увеличивается скорость истечения газов и, как следствие, увеличивается сила тяги реактивного двигателя.
Для случая металлической ракеты У. Конгрева в зоне вогнутой внутрь чашки сопла по ходу потока газов образуется зона турбулентности, то есть завихрения. В результате резко уменьшается коэффициент полезного действия двигателя и снижается его сила тяги. Поэтому, несмотря на то, что прочный железный корпус ракеты позволял загружать в ее двигатель значительно большее количества пороха, чем в бамбуковую ракету, изделия полковника У. Конгрева летали ненамного дальше, чем индийские бамбуковые ракеты [23].
В России разработкой боевых ракет в начале XIX века занимались чиновник пятого класса провиантского штата Алексей Иванович Картмазов и полковник Александр Дмитриевич Засядко. Свою деятельность в ракетной технике они начинали не с нуля.
Наследник английского престола Георг IV подарил несколько английских ракет Конгрева российскому императору Александру I, которые в 1811 году были переданы для исследования А.И. Картмазову. Тактико-технические характеристики разработанных на их основе Картмазовым и Засядко ракет несколько превышали лучшие показатели ракет Конгрева, в частности дальность полета ракет увеличилась до 3000 метров. Однако никаких принципиально новых конструкторско-технологических решений при создании этих ракет найдено не было [5].
Подводя промежуточный итог нашего анализа, можно сказать, что характерной чертой развития ракетной техники до XIX века было преобладание эмпиризма, отсутствие теоретических основ конструирования и производства ракет. Усовершенствования, вносимые в конструкцию ракет, как правило, не опирались на результаты теоретических или экспериментальных исследований. Практика опережала теорию, умели больше, чем понимали.
Процесс накопления информации всегда продолжается до тех пор, пока ее количество не станет критическим и не начнет переходить в качество. И такой переломный момент в истории ракетостроения наступил. Здесь уместно привести фразу выдающегося ученого, российского химика Д.И. Менделеева – «Наука начинается там, где начинаются измерения».
Первые измерения эксплуатационных параметров пороховых ракет осуществил Константинов Константин Иванович, генерал-лейтенант, российский учёный и изобретатель в области артиллерии и ракетной техники.
Ракеты XIX века были оружием кустарным, изготовлялись вручную, на глазок и уже поэтому не были одинаковыми. Каждая ракета хоть и немного, но отличалась от другой ракеты. К.И. Константинов писал, что необходимо создать «математическую теорию конструкции и стрельбы ракет». Теория требовала практической проверки, и Константинов стал первым в мире инженером, который понял, что качество ракеты нуждается в объективной научной оценке.
В 1847 году Константинов построил ракетный баллистический маятник, на котором установил закон изменения движущей силы ракеты во времени. При помощи этого прибора он исследовал влияние формы и конструкции ракеты на её баллистические свойства, заложив научные основы расчёта и проектирования ракет.
Примечательно то, что спустя почти сотню лет маятник К.И. Константинова использовался в 1933 году сотрудниками Ленинградской газодинамической лаборатории, при доводке первого в мире электрического ракетного двигателя конструкции В.П. Глушко.
Бывший сотрудник и соратник академика В.П. Глушко, Соколов В.С., в монографии, посвященной освоению космоса, пишет: «Особо следует отметить значение изобретенного Константиновым устройства для опытного определения скорости полета на отдельных участках траектории ракет и артиллерийских снарядов. В основе действия устройства лежали измерения дискретных интервалов времени между импульсами электрического тока, точность которых была доведена до 0,00006 с. Это было поразительным по тому времени достижением практической метрологии» [135].
В 1861 году К.И. Константинов опубликовал в Париже на французском языке книгу «О боевых ракетах». В 1864 году ее опубликовали на русском языке в России. На тот момент это была единственная в мире фундаментальная монография по данной теме. Выдающейся заслугой К.И. Константинова является то, что им впервые была сделана попытка научного подхода к вопросам конструирования ракет и заложены основы экспериментальной ракетной динамики. Наступал конец эмпирики.
Время неумолимо продолжало свой бег, заканчивался девятнадцатый век. К этому моменту в армиях большинства развитых стран на вооружение была принята нарезная артиллерия. В 1864 году немецкий инженер А. Крупп изобрел клиновой затвор для орудий, заряжаемых с казенной части.
Впоследствии орудия снабдили противооткатными устройствами, дуговыми и оптическими прицелами. Были разработаны новые сорта артиллерийского бездымного пороха. В результате к началу двадцатого века скорострельность орудий достигала до 10 выстрелов в минуту при дальности стрельбы до 8000 метров, повысилась точность стрельбы [24].
К началу двадцатого века были созданы новые дымные и бездымные пороха, производство ракет уже базировалось на научной основе, и заранее можно было рассчитать тяговую силу ракеты, её тактико-технические характеристики. Но при всем при этом ракеты того периода по всем показателям многократно уступали артиллерийским системам. Поэтому производство боевых ракет пошло на убыль, на вооружении войск остались только сигнальные и осветительные ракеты. В большом количестве продолжали выпускать ракеты только для праздничных фейерверков.