Podbój kosmosu: Początki rakiet – proch i alkohol

Podbój kosmosu. Fot. Meteo Pomorze

Choć technologia rakietowa wydaje się dość nowa, to pierwsze rakiety powstały już w X wieku naszej ery. Dopiero okres II Wojny Światowej, a później wyścigu kosmicznego spowodował gwałtowny rozwój silników, rodzajów paliwa, jak i samych rakiet. Od pierwszego lotu rakiety V2 do lądowania Armstronga i Aldrina na Księżycu minęło zaledwie 27 lat. Wynoszenie załóg i ładunków w kosmos nie byłoby możliwe bez rakiet, jednak nawet przy dzisiejszej technologii loty rakiet to seria prób i błędów, choć ze znacznie większą sprawnością i znacznie mniejszym ryzykiem niepowodzenia.

Praca silnika rakietowego to tak naprawdę ciągła, potężna i kontrolowana (oczywiście w pewnym stopniu) eksplozja dwóch lub więcej składników paliwa. Zależnie od mieszanki, konstrukcji silnika i ciśnienia atmosferycznego (lub jego braku) zależą osiągi danej jednostki. Zaletą silnika rakietowego jest wykorzystanie spalania paliw bez konieczności pobierania tlenu z zewnątrz. Dzięki temu są one jednym stosowanym na masową skalę rodzajem napędu w przestrzeni kosmicznej, a stosunkowo niska masa materiałów pędnych w połączeniu z dużą siłą odrzutu, a co za tym idzie, ze znacznym przyspieszeniem jednostki i niesionego ładunku, pozwalają na szybkie i relatywnie tanie przenoszenie głowic bojowych, czy pocisków.

W dużym uproszczeniu wyróżniane są dwa rodzaje napędów – stały i ciekły. Zaletą paliw stałych jest względnie niska masa i cena, oraz potężny, choć zazwyczaj krótki ciąg. Dodatkowo mają one prostą konstrukcję – dysza, zbiornik z materiałem pędnym, tunel wylotu gazów i układ zapłonowy. Minusem jest brak możliwości wyłączenia pracującego już silnika, oraz niski impuls specyficzny (stosunek zużytego paliwa do uzyskanej prędkości). Paliwo ciekłe jest dużo prostsze do kontrolowania, silnik napędzany ciekłym paliwem można bowiem wyłączyć i zależnie od konstrukcji uruchomić ponownie. Mają też większy impuls specyficzny mimo niższego ciągu. Ich minusem jest jednak większe skomplikowanie konstrukcji – materiał pędny musi być ekstremalnie zimny, a sam silnik ma setki poszczególnych elementów, co znacznie komplikuje ich budowę, czy operowanie nimi, a przez to zwiększa koszty.

Schemat budowy silnika na paliwo ciekłe. Źródło: Wikimedia

Do napędzania przodków dzisiejszych promów kosmicznych użyto… prochu strzelniczego! Pierwsze rakiety zbudowali Chińczycy, prawdopodobnie około 970 roku naszej ery. Pierwotnie używane jako element obrzędów, jednak dość szybko tamtejsi wojskowi i uczeni zauważyli potencjał bojowy napędzanych prochem konstrukcji. Jeszcze w X wieku zaczęto stosować je jako element artylerii w fortecach Wielkiego Muru Chińskiego, a do ich obsługi przeszkolono jednostkę techników rakietowych. Nie wystarczyło to do obrony przed armią mongolską, kierowaną przez Czyngis-chana, który nie tylko podbił północne Chiny, ale i przejął technikę produkcji prochu i rakiet, zatrudniając chińskich konstruktorów. Wraz z mongołami, wynalazek trafił do Europy wschodniej i częściowo centralnej, oraz do Imperium Osmańskiego, które użyło ich do ataku na Konstantynopol. Później technologia ta zanikła w Europie na około dwa wieki.

Dopiero w XVII wieku ponownie rozpoczęto próby budowy i militarnego użycia rakiet na starym kontynencie. Jednym z protoplastów nowoczesnej artylerii rakietowej był Polak, inżynier wojskowy i artylerzysta Kazimierz Siemienowicz, który w 1650 roku opublikował efekty swoich eksperymentów w podręczniku Artis Magnae Artilleriae pars prima (Wielkiej sztuki artylerii część pierwsza), przez niemal 200 lat podstawowym podręczniku artylerii. Szczegółowo opisał tam charakterystykę lotu rakiety, jej konstrukcję (w tym rakiet wieloczłonowych), użycie baterii rakietowej, a nawet statecznik w profilu delta. Przez kolejne trzy wieki, rakiety wykorzystywano powszechnie na polach bitwy, ciągle je rozwijając. Nadal jednak ich napędem było paliwo stałe.

Inny polak, a dokładniej rosyjski uczony polskiego pochodzenia, Konstanty Ciołkowski, opisał w 1903 roku zachowanie rakiety o zmiennej masie. Była to pierwsza, poważna praca naukowa w zakresie astronautyki. W 1929 roku z kolei, Ciołkowski szczegółowo wyjaśnił zachowanie rakiety wieloczłonowej w ziemskim polu grawitacyjnym. Zaproponował również użycie stabilizatorów żyroskopowych (wraz ze wzrostem wysokości atmosfera rzednieje, a więc lotki tracą efektywność), opisał założenia konstrukcyjne silnika na paliwo ciekłe, czy nawet konkretne mieszanki materiałów pędnych. Jego prace posłużyły kilka dekad później do wysłania pierwszych ludzi w kosmos, a jego spuścizna nadal pozwala nam podróżować poza ziemską atmosferę.

Rakiety na paliwo ciekłe do dość nowy wynalazek, powstały dopiero w latach ’20 XX wieku w Niemczech. W 1927 roku wystartowała tam rakieta zasilana benzyną i tlenem, co zapewniło Niemcom prowadzenie w światowej konstrukcji rakiet. Kolejne lata to rozwój słynnego ośrodka badawczego w Peenemunde. To tam podczas II Wojny Światowej powstały niesławne rakiety V2, napędzane nadtlenkiem wodoru, ciekłym tlenem, oraz wodą i… alkoholem etylowym! Była to nie tylko najpotężniejsza wówczas rakieta, ale i pierwsza między innymi z inercyjnym systemem sterowania, czy turbopompą. Liderem projektu był Wernher von Braun. Choć on i jego zespół konstruowali broń dla Hitlera, marzeniem naukowca były loty kosmiczne. Warto podkreślić, że już za czasów wojny, jego marzenie częściowo się spełniło – V2 osiągały umowną granicę kosmosu – wysokość przeszło 100 km.

Przekrój rakiety V2 w skali z człowiekiem. Fot. clipartxtras.com

Po wojnie on i część jego ekipy zostali aresztowani i wywiezieni do USA, gdzie dla tworzyli rakiety nośne dla wojsk amerykańskich. Reszta jego zespołu trafiła do radzieckiego ośrodka badawczego na terenie Niemiec, a później wgłąb Rosji, żeby tam służyć Armii Czerwonej. Jednocześnie rozpoczął się wyścig zbrojeń, ostatecznie przeradzający się w bieg ku gwiazdom. Ku wysłaniu pierwszego człowieka w kosmos, a następnie posadzeniu go na Księżycu. Ale o tym w kolejnych odcinkach cyklu.

W następnej części przyjrzymy się amerykańskiej odpowiedzi na Sputnika, oraz wzlotom i upadkom protoplastów NASA.