К.Э. Циолковский - основоположник теории космонавтики - в многочисленных научных трудах рассматривал как теоретические, так и практические вопросы создания техники для космических полетов. И хотя общий уровень науки и техники первой трети XX века не позволял создать ракету для таких полетов, К.Э. Циолковский в своих работах изложил технические основы будущей ракетной техники.
Ю.В. Кондратюк - создатель собственной теории космических полетов -долгие годы был мало известен. Так сложилось, что его теоретические разработки по космонавтике составляют, к сожалению, только два печатных труда. Но это не снижает его вклада в теорию космонавтики. Для иллюстрации значимости разработанной им теории можно достаточно напомнить читателю, что предложенную им схему полета и посадки пилотируемого аппарата на Луну использовали американские ученые при разработке своей лунной программы.

В трудах К.Э. Циолковского рассмотрен широкий спектр различных технических вопросов. Но в центре его внимания было решение проблем по созданию ракет с двигателями, работающими на жидком топливе. В своем основополагающем труде "Исследования мировых пространств реактивными приборами" он дает такое определение: "Для путешествия вне атмосферы и всякой другой материальной среды на высоте 300 км, а также еще дальше, между планетами и Солнцем, нужен специальный прибор, который мы только для краткости будем называть ракетой". И далее там же: "Ракетою я называю реактивный прибор, который двигается отталкиванием вещества, запасенного в нем заранее".
В своих работах Циолковский указал наиболее рациональные пути и перспективы развития этого нового вида техники, а также дал ряд практических схем. Одним из таких устройств является жидкостный ракетный двигатель.
Оценивая с сегодняшних позиций представления Циолковского о ракетном двигателе, невольно испытываешь бесконечное уважение к человеку, который, не имея инженерного образования, опираясь лишь на собственное воображение, сумел определить основные принципы, которые следовало положить в основу конструкции ЖРД, описал ее составные части и сформулировал технические требования к двигателю.
Циолковский удивительно близко подошел к типовому облику современного жидкостного ракетного двигателя. Он в течение более 25 лет размышлял над химико-физическими процессами, протекающими в камере сгорания ЖРД, и результаты этих размышлений находили место в публикуемых им трудах. При описании ЖРД наибольшее внимание уделено конструкции и условиям работы камеры сгорания или "взрывной трубы".
Уже в первом своем научном труде по ракетной технике "Исследования мировых пространств реактивными приборами" Циолковский, наряду с описанием и схемой ракеты, впервые изложил свое представление о ракетном двигателе. Он писал: " Камера имеет большой запас веществ, которые при своем смешении тотчас же образуют взрывчатую массу…текущую в виде горячих газов…вырываясь наружу через раструбы с громадной относительной скоростью".
Предположив, что в качестве "взрывчатых веществ" могут быть использованы жидкие кислород и водород, Циолковский предложил: "Так как температура их весьма низкая, поэтому ими полезно окружить или кожухи с циркулирующим металлом, или непосредственно самые трубы". Так была сделана первая рекомендация по охлаждению камеры ЖРД: покрытие внутренней стенки тугоплавким материалом и наружное охлаждение компонентом топлива.
В одной из последующих работ ("Дополнение 1914 г.") Циолковский впервые отошел от общих рассуждений по поводу обеспечения работоспособности ракетного двигателя и привел некоторые расчеты, которые конкретизировали его представление о ЖРД: "Положим для простоты, что она цилиндрической формы и определим ее наибольшую толщину и площадь дна… Давление на ракету весом в 10 т положим в 5 раз больше ее веса … Итак, давление газов на дно трубы составит 50000 кг… Толщину стенок трубы примем равной 4,5 см. Значит, внешний диаметр будет менее 13 см, а внутренний менее 4 см".
Из приведенного фрагмента видно, как далеки были представления Циолковского в 1914 г. от реальных параметров ныне существующих ракетных двигателей. Основное его заблуждение - выбор давления в камере в 5000 атмосфер.
Взрыв, а не горение топлива в камере - это, пожалуй, единственное ошибочное представление Циолковского о процессах, протекающих в ЖРД.
Здесь уместно отметить, что из всех приведенных материалов по ракетному двигателю цифровые расчеты являются наименее сильной стороной Циолковского.
Что же касается представления о взрывном характере протекания рабочего процесса в камере, то в 1933 г. в статье "Топливо для ракеты" Циолковский подверг анализу употребляемый им термин "взрыв". Он писал: "В сущности, нет резкой границы между процессом взрывания вещества и простым горением."
Надо сказать, что Циолковский отчетливо представлял термодинамическую картину создания реактивной тяги. Он замечал: "Газ, расширяясь в трубе, все более и более охлаждается, теплота исчезает, заменяясь газовой струёй… Труба должна быть настолько длинна, чтобы газ на выходе расширился по крайней мере в 36 раз. Еще лучше - в 1300 раз".
Определив важность степени расширения газов в сопле камеры ЖРД, Циолковский в той же работе дал практические рекомендации: "Цилиндрическая форма трубы оказывается чересчур длинной. Коническая форма тем сильнее сокращает эту длину, чем конус больше расширяется. Но чем угол его больше, тем более и потери энергии, т.к. движение газов уклоняется в стороны. Все же при угле в 10° потеря почти незаметна".
Рассматривая ракету в комплексе, он в своих научных размышлениях коснулся также методов хранения и подачи компонентов топлива в камеру.
Рассматривая насосную схему подачи топлива в камеру, Циолковский высказал интересную идею, которая, как и многие другие у него, прошла без акцентирования. Касаясь применения дополнительного двигателя для привода в действие топливных насосов, Циолковский писал: "Выход продуктов горения в нем должен быть направлен в общую взрывную трубу. Нельзя пренебрегать и малым использованием энергии горячих продуктов горения… Извлекши механическую работу для привода насосов, мы воспользуемся продуктами горения как реактивным материалом во взрывной трубе...Возможно и предварительное использование небольшой части запаса взрывчатых веществ; после работы в моторе они поступают во взрывную трубу и совершают работу реакции". А ведь это - идея ЖРД с дожиганием генераторного газа!
В 1927 г. вышла работа "Космическая ракета. Опытная подготовка", в которой Циолковский развил комплексное представление о ЖРД. Он упомянул почти все элементы сегодняшней принципиальной схемы ЖРД. Нет только дросселя и регулятора, управляющих работой двигателя.
Рассмотрим конструкцию и принцип работы всех составляющих.
Бак горючего - водородный или нефтяной - окружал горячую "взрывную трубу", охлаждая её.
Бак окислителя - кислородный - окружал бак горючего для его охлаждения.
Топливные трубопроводы от баков к насосам "могут быть устроены из тонкого материала, т.к. не подвергаются давлению взрыва".
Топливные насосы предлагалось приводить в действие специальным мотором. Циолковский предполагал использование насосов поршневого типа (через 5 лет насос такого типа пытались создать в ГД и ГИРДе независимо друг от друга, однако он оказался малопригодным для работы в составе ЖРД).
Клапаны предполагалось устанавливать на входе и выходе из каждого насоса.
Смесительная головка по Циолковскому - это решетка с косыми дырами для лучшего смешения углеводородов с кислородом.
Камера - по Циолковскому - "взрывная труба конической формы". Опыт должен был помочь определить наиболее выгодную степень ее расхождения или угол конуса.
Взрывную трубу следовало изготавливать из материала прочного. Циолковский считал целесообразным сделать трубу из двух оболочек: первой - внутренней, очень прочной и тугоплавкой, второй - менее тугоплавкой, но тоже прочной и хорошо проводящей тепло.
Подводя итоги изложению взглядов Циолковского на конструкцию, следует отметить, что его предложения были использованы при разработке фундаментальной конструкции ЖРД.
Так, Циолковский обосновал целесообразность насосной подачи топлива, необходимость и возможность охлаждения внутренней стенки камеры компонентом топлива, дал рекомендации по использованию материалов и теплостойких покрытий для камеры, указал на выгоды применения конического сопла по сравнению с цилиндрическим, предложил основы организации смесеобразования в камере.
Следует особо отметить, что Циолковский указал на энергетическую эффективность схемы с дожиганием. Это же можно сказать и об идее несущих баков.
Есть в его работах и не вошедшая в статью идея схемы с безрасходным третьим компонентом, являющимся рабочим телом турбины. Сейчас в практической деятельности двигательных ОКБ проявляется интерес к возможному использованию такой схемы ЖРД.
Другой наш отечественный теоретик космических полетов и ракетной техники Ю.В. Кондратюк разработал собственную теорию завоевания Солнечной системы. Его основной научный труд "Завоевание межпланетных пространств" впервые был издан в 1929 г.
Отмечая теоретический характер своей работы, Кондратюк в этом же предисловии писал: "В работе отсутствуют конструктивные рисунки и чертежи: общие принципы конструкций легко могут быть выражены и словесно, частности же нами пока разрабатываемы быть не могут..." Более того, в первоначальной рукописи отсутствовала глава о приводящей силе космической ракеты - ракетном двигателе. По признанию Кондратюка в письме к профессору Н.А. Рынину, редактор первого издания профессор В.П. Ветчинкин обратил внимание автора "на огромное значение конструктивной разработки "горелки" - извергающей трубы, почему была написана и вставлена глава IV".
Кондратюк подошел к ее написанию довольно поверхностно, но тем не менее, учитывая полную самобытность автора, его представления о процессах в камере сгорания двигателя и ее конструкции представляют интерес.
Он писал: "Конструировать камеру сжигания и извергающую трубу придется следующим образом: те поверхности, которые будут подвержены действию температур более высоких… нужно делать металлическими и подвергнуть интенсивному охлаждению снаружи … Остальные поверхности можно облицевать изнутри достаточно огнеупорными материалами".
На этом, собственно, и заканчивается описание Кондратюком предполагаемой конструкции камеры ЖРД. Все здесь правильно: и взгляды на термодинамику в камере, и на необходимость охлаждения... Но конструкция камеры как агрегата ЖРД отсутствует. Так что можно считать, что замечание В.П. Ветчинкина было "устранено" довольно формально.
Однако этим не исчерпываются взгляды Кондратюка на конструкцию ЖРД. В другой работе, написанной в 1918-1919 гг. и озаглавленной "Тем, кто будет читать, чтобы строить", Кондратюк дал еще несколько рекомендаций по созданию ракетного двигателя. Так, он предложил изготовлять сопло в виде параболоида вращения.
Рассматривая вопрос о сжигании топлива, Кондратюк пришел к выводу, что оптимальной может быть раздельная подача каждого компонента с чередованием подающих элементов - то, что сегодня называется "шахматная схема расположения форсунок".
Сделав вывод о целесообразности создания высокого давления в камере для повышения степени расширения газов (к.п.д. двигателя), Кондратюк считал необходимым применение насосной подачи топлива.
Таким образом, и у Кондратюка просматривается идея ЖРД с дожиганием. На этом его рекомендации по созданию ракетного двигателя исчерпываются. К сожалению, указанная работа Кондратюка была впервые опубликована в 1964 г. в сборнике "Пионеры ракетной техники", так что говорить о ее влиянии на развитие конструкции ракетных двигателей не приходится.
Остается провести сравнение взглядов Циолковского и Кондратюка на конструкцию ЖРД. Практически их взгляды совпадают, только у Циолковского разработки имеют более глубокие обоснования, они шире по охвату узлов и агрегатов двигателя.
Знаменательно, что взгляды на конструкцию ЖРД у наших великих теоретиков во многом предвосхитили многое из того, что было создано "в металле" через десятки лет. Идеи основоположников космонавтики в дальнейшем нашли экспериментальное подтверждение в работах отечественных конструкторов, сделавших не менее важный шаг от теории к практическому ракетостроению.