Из авиации Исаев перебрался в ракетостроение. К концу 1930-х ОКБ переехало в Химки на авиазавод № 293, директором которого был назначен Болховитинов. Молодой 29-летний конструктор КБ Александр Березняк выдвинул интересную инициативу: построить первый советский самолёт с ракетным двигателем. Инициативу одобрили сверху, и весной 1941 года Березняк с Исаевым приступили к разработке машины. К слову сказать, на тот момент концепция ракетного перехватчика была актуальна. Предполагалась, что такой самолёт может мгновенно взлететь, быстро нанести удар и сесть на планировании, – немцы в то же самое время работали над аналогичной машиной Messerschmitt Me 163 Komet (которая стала единственным в истории серийным и использовавшимся в бою ракетным истребителем). Первый самолёт с ЖРД немцы к тому времени, в 1939 году, уже построили и испытали – это был Heinkel He 176.
В общем, Березняк с Исаевым в сжатые сроки спроектировали советский ракетный самолёт БИ-1. Испытания различных его модификаций продолжались до 1945 года, а Исаев стал одним из ведущих советских специалистов по ЖРД. В этой роли он и попал в группу инженеров, направленных после войны в Германию для изучения немецких достижений в области ракетостроения. А в 1947 году он возглавил ОКБ-2, образованное при НИИ-1 МАП СССР (ныне Московский институт теплотехники), а затем переведённое под эгиду НИИ-88 (ныне ЦНИИМАШ). Занимался Исаев проектированием двигателей для боевых ракет различных классов, в общем, работал на «военку». Вот там-то, в качестве главного конструктора собственного ОКБ, Алексей Исаев и предложил в 1949 году оригинальную схему ЖРД – так называемый ЖРД закрытого цикла.
В классическом ракетном двигателе горючее и окислитель поступают из баков на центробежные насосы, которые под высоким давлением подают их к форсункам; оттуда топливо идёт в камеру сгорания. Центробежные насосы приводятся в действия газовой турбиной. Возникает вопрос: откуда берётся газ для её вращения? Всё относительно просто: часть ракетного топлива ещё на стадии подачи отделяется от основной массы и сжигается отдельно, в специальном отсеке – газогенераторе. Полученный в результате генераторный газ поступает к топливным насосам и приводит их в действие, после чего сбрасывается в атмосферу. Существуют также системы, в которых для привода турбины используется другое топливо, хранящееся в отдельном отсеке. Но так или иначе система открытого цикла (такое название носит схема с газогенератором) снижает эффективность двигателя и повышает расход топлива.
Идея Исаева состояла в том, чтобы выполнивший свою функцию генераторный газ перенаправлять в камеру сгорания, где он бы дожигался и работал, как основная часть топлива, на движение ракеты. Проблема состояла в том, что на 1949 год даже классические ЖРД, использующиеся в серийных крылатых или баллистических ракетах, требовали множества доработок. Двигатель же замкнутой схемы был намного сложнее в расчётах и изготовлении, а увеличение эффективности сводилось на нет усложнением конструкторской работы и большей вероятностью отказа. Поэтому до поры до времени идея Исаева оставалась лишь на бумаге.
Но если для ранних военных технологий схема была чрезмерно сложной, то в космическую эру она сыграла свою роль. Ракетам, предназначенным для вывода объектов на орбиту, нужен был любой прирост мощности и КПД, а сложность конструкции уже никого не смущала, поскольку ракеты-носители и без того представляли собой исключительно сложные системы.
В результате схему реализовал бывший сотрудник КБ Исаева и его ученик – Михаил Мельников. С 1956 года Мельников работал заместителем главного конструктора ОКБ-1 Сергея Королёва по двигателям, и в 1958-м его группа занималась разработкой ЖРД для новых четырёхступенчатых ракет-носителей «Молния». Первый образец ЖРД 11Д33 (С1.5400) был готов к маю 1960 года, отлично показал себя на испытаниях и стал первым реализованным в металле ЖРД замкнутого цикла. Правда, первые два запуска «Молнии 8К78» (10 и 14 октября 1960-го) оказались неудачными, причём в первом случае подвёл именно двигатель. Но 12 февраля 1961 года «Молния» штатно стартовала и вывела на орбиту АМС «Венера-1» (первый космический аппарат, пролетевший вблизи от Венеры). Занятно, но это был второй успешный пуск – первый произошёл 4 февраля, когда «Молния» вывела на орбиту другую «Венеру-1», но у той отказал разгонный блок и с орбиты она уйти не смогла. Советская пропаганда быстро переименовала АМС в «Спутник-7» и назвала пуск успехом, хотя болтающийся вокруг земли нефункциональный венерианский зонд трудно было считать удачей. Неудачу с первым запуском «Венеры» признали гораздо позже.
Сегодня ЖРД с дожиганием газа широко используются в космонавтике. По этой схеме выполнены многие российские двигатели, например новейший РД-193 (его экспортная модификация РД-181 осенью 2016 года вывела на орбиту новую американскую ракету-носитель Antares). В «Ангаре» тоже используется такой двигатель – более ранняя и проверенная версия РД-191. Идея Исаева давным-давно вышла за пределы ОКБ и даже страны.
Космическая плазма
Несколько слов надо сказать о первом в мире плазменном ракетном двигателе. Как и двигатель Глушко, это электрический ракетный двигатель, но относящийся к совершенно другой группе и работающий по иному принципу. Поскольку я не ставлю перед собой задачу подробно описать физические законы, на которых основан этот агрегат, о его конструкции я расскажу очень кратко. В частности, чтобы вы понимали разницу между ионными и плазменными двигателями.
Рабочим телом для ионных двигателей чаще всего служит ксенон или пары ртути. Рабочее тело ионизируют, превращая в поток ионов, а затем разгоняют их в сильном электрическом поле. Разогнанные ионы выбрасываются в пространство, создавая тягу и придавая кораблю ускорение. Электрическое поле в области разгона создают с помощью системы из двух сетчатых электродов (решёток) – отрицательного (катода) и положительного (анода). К этим электродам прикладывают электрическое напряжение, формируя область электрического поля со значительной разностью потенциалов.
Первые ионные двигатели отправились на орбиту в 1964 году, они стояли на американском спутнике SERT-1 – об этом я рассказывал выше (действительно, исторически ионный двигатель вообще самый ранний тип электрического двигателя, попавший в космос).
Но ещё в 1955 году молодой физик, аспирант Алексей Морозов, опубликовал в «Журнале экспериментальной и теоретической физики» статью «Об ускорении плазмы магнитным полем». Первоначальное название должно было стать другим – «О возможности создания плазменных электрореактивных двигателей», но он изменил его, чтобы статью сразу не засекретили. Придя двумя годами позже в Институт атомной энергии им. И. В. Курчатова, Морозов развил свою идею и в 1962-м предложил конкретную конструкцию двигателя, который использовал для разгона рабочего тела (ионизированного ксенона) скрещенные магнитное и электрическое поля.
В какой-то мере можно назвать плазменный двигатель более развитой версией ионного двигателя, поскольку плазма – это ионизированный газ, который содержит и заряженные ионы, и свободные электроны. Но в обычном ионном двигателе в разгоняющее поле между сетками подаются только ионы, поскольку при подаче плазмы электрическое поле разгоняло бы в основном лёгкие электроны, которые не дают тяги. У ионного двигателя есть свои ограничения – и фундаментальные (ионы вблизи катода экранируют его потенциал для остальных, как бы создавая пробку), и технологические (разгоняющие решётки сильно нагреваются и могут деформироваться). Идея же Морозова заключалась в том, чтобы избавиться от ограничений ионного двигателя – и от решёток, и от «пробок» из ионов, и от электронов в разгоняемом потоке частиц – с помощью простого и остроумного решения.
