Eksploracja kosmosu

Ogniste strzały i rakiety prochowe

Pierwsza rakieta była strzałą, która nie potrzebowała łuku. Chińscy alchemicy spisali przepis na proch już w 1044 roku, w podręczniku wojskowym Wujing Zongyao, a w ciągu dwóch stuleci ktoś przywiązał bambusową rurkę z prochem do promienia strzały i pozwolił, by palący się proch sam ją popychał. Kroniki mongolskiego oblężenia Kaifengu w 1232 roku opisują ogniste lance i bomby „wstrząsające niebem”; historycy spierają się, kiedy dokładnie ognista strzała stała się prawdziwą rakietą, napędzaną własnymi gazami, a nie tylko niosącą płomień, ale w XIV wieku armie chińskie, arabskie i indyjskie wystrzeliwały je salwami ze stojaków.

Broń dojrzała na południu Indii. Armie Hajdara Alego i jego syna Tipu Sultana, władców Majsuru, używały rakiet o żelaznym, a nie papierowym czy bambusowym korpusie: rury długości około 200 milimetrów i średnicy 40–50 milimetrów, przymocowanej do bambusowej żerdzi długiej nawet na metr, o zasięgu kilometra lub dwóch. Żelazo wytrzymywało wyższe ciśnienie niż tektura, więc rakiety leciały dalej i uderzały mocniej. Brytyjskie relacje szacują korpus rakietowy Tipu na kilka tysięcy ludzi, a pod Pollilurem w 1780 roku salwa rakiet miała podobno wysadzić wóz z amunicją Kompanii Wschodnioindyjskiej i pomóc rozbić kolumnę. Po upadku Srirangapatny w 1799 roku zdobyczne rakiety z Majsuru wysłano do Królewskiego Arsenału w Woolwich.

Czy wiesz, że słynne rakiety Williama Congreve'a skopiowano z majsurskich egzemplarzy przysłanych do Woolwich? Ulepszył korpus i żerdź, ale pomysł żelaznej rakiety był indyjski.

Rakiety Congreve'a weszły do brytyjskiej służby w 1806 roku. Wersja 32-funtowa ważyła około 14,5 kilograma i sięgała mniej więcej 2,7 kilometra, dalej niż większość ówczesnych dział polowych, a Royal Navy wystrzeliła ich około 300 na Kopenhagę podczas bombardowania we wrześniu 1807 roku, gdy miasto płonęło przez trzy dni. Siedem lat później, w nocy z 13 na 14 września 1814 roku, okręt rakietowy HMS Erebus ostrzelał rakietami Congreve'a Fort McHenry w porcie Baltimore. Francis Scott Key obserwował to ze statku parlamentariuszy i napisał o „czerwonym blasku rakiet”; wers ten stał się hymnem Stanów Zjednoczonych. Fort się utrzymał, co mówi wiele: rakiety były przerażające i beznadziejnie niecelne.

Ta niecelność tłumaczy, dlaczego rakieta prochowa utknęła na sto lat. Rakieta stabilizowana żerdzią chybocze się, jej proch spala się nierówno, a boczny wiatr niesie ją byle gdzie. Konstrukcja Williama Hale'a z 1844 roku, stabilizowana obrotowo, która część gazów wypuszczała przez skośne otwory, by rakieta wirowała jak kula karabinowa, pomogła, lecz w latach sześćdziesiątych XIX wieku artyleria gwintowana trafiała w cele z większej odległości i znacznie precyzyjniej, a oddziały rakietowe po cichu rozwiązano. Głębsze ograniczenie było chemiczne: proch czarny daje impuls właściwy zaledwie około 80 sekund, ćwierć tego, co nowoczesny silnik na paliwo ciekłe, więc żadna rakieta prochowa nie mogła unieść wiele ani wznieść się wysoko.

Rakieta prochowa dowiodła zasady, a potem spędziła sto lat jako raca sygnałowa i wyrzutnia linki dla łodzi ratunkowych. Trzeba było nowego paliwa i kilku upartych marzycieli, by stała się pojazdem.

Wyobrażona podróż

Na długo zanim ktokolwiek mógł opuścić planetę, ludzie spisywali już relacje z podróży. Lukian z Samosat, syryjsko-grecki satyryk z II wieku, w Prawdziwej historii posłał statek na Księżyc na skrzydłach trąby powietrznej i zastał tam króla Księżyca toczącego wojnę z królem Słońca o kolonizację Gwiazdy Porannej; we wstępie obiecał, że każde słowo jest kłamstwem. Czternaście wieków później Johannes Kepler napisał Somnium, sen, w którym demon przenosi podróżnika na Księżyc podczas zaćmienia. Kepler, który właśnie sformułował prawa ruchu planet, opisał w nim, jak niebo wyglądałoby z Księżyca, z Ziemią zawieszoną nieruchomo i obracającą się raz na dobę. Dzieło, wydane w 1634 roku, cztery lata po jego śmierci, uchodzi za pierwszą fantastykę naukową opartą na prawdziwej astronomii.

Wiek XVII dodał pojazdy. Człowiek na Księżycu Francisa Godwina (1638) używał stada tresowanych gęsi; Cyrano de Bergerac w satyrze wydanej w 1657 roku próbował butelek z rosą ogrzewanych słońcem, a potem, niemal mimochodem, ramy obwieszonej petardami zapalającymi się stopniowo. Był to żart, a zarazem pierwsza rakieta kosmiczna w literaturze.

Potem przyszedł Juliusz Verne, który policzył. W powieści Z Ziemi na Księżyc (1865) Klub Puszkarzy z Baltimore odlewa w ziemi środkowej Florydy armatę długości 274 metrów, Columbiad, i wystrzeliwuje w stronę Księżyca aluminiowy pocisk z trzema ludźmi. Verne wybrał Florydę ze względu na bliskość równika; wyliczył prędkość początkową około 11 kilometrów na sekundę, bliską prawdziwej prędkości ucieczki; a w kontynuacji kapsuła woduje na Pacyfiku, gdzie wyławia ją amerykański okręt wojenny USS Susquehanna. Sto lat później Apollo wyniósł z Florydy trzech ludzi w kapsule ze stopu aluminium z prędkością niespełna 11 kilometrów na sekundę i sprowadził ich do wodowania na Pacyfiku obok lotniskowca. Moduł dowodzenia Apollo 11, Columbia, wziął nazwę po części od armaty Verne'a.

Czy wiesz, że armata Verne'a zabiłaby załogę jeszcze w lufie? Osiągnięcie prędkości ucieczki na odcinku 274 metrów oznacza przyspieszenie ponad 20 000 g, podczas gdy wytrenowany człowiek znosi około 9.

H. G. Wells poszedł inną drogą w Pierwszych ludziach na Księżycu (1901), z osłaniającą przed grawitacją substancją zwaną cavoritem i Księżycem pełnym owadzich Selenitów, a Georges Méliès połączył obie książki w Podróży na Księżyc z 1902 roku: czternaście minut malowanych dekoracji zakończonych kapsułą wbitą w oko Księżyca. To Wells, nie Verne, porwał następne pokolenie: Robert Goddard czytał Wojnę światów jako nastolatek, a Hermann Oberth przeczytał Verne'a w wieku jedenastu lat i całe życie sprawdzał jego rachunki.

Ten wzór jest ważny, bo wciąż się powtarzał. Konstanty Ciołkowski pisał powieści kosmiczne obok swoich równań; Wernher von Braun napisał w 1949 roku powieść o Marsie; Arthur C. Clarke zaproponował satelitę telekomunikacyjnego w czasopiśmie w 1945 roku. Fikcja nie tylko przewidziała loty kosmiczne, ale zwerbowała ludzi, którzy je zbudowali.

Ciołkowski i równanie rakiety

Konstanty Ciołkowski stracił większość słuchu w wieku dziesięciu lat po szkarlatynie, nie przyjęto go do szkoły i sam nauczył się fizyki w moskiewskich bibliotekach, żywiąc się czarnym chlebem, by starczyło na książki. Od 1892 roku uczył arytmetyki i geometrii w Kałudze, prowincjonalnym mieście 150 kilometrów na południowy zachód od Moskwy, a w domowym warsztacie wyliczył na papierze, jak opuścić Ziemię. Jego notatnik datuje kluczowy wynik na 10 maja 1897 roku. W 1903 roku czasopismo „Naucznoje Obozrienije” opublikowało jego artykuł Badanie przestrzeni kosmicznej za pomocą urządzeń odrzutowych, którego prawie nikt nie przeczytał.

To, co odkrył, nazywa się dziś równaniem rakiety: zmiana prędkości, jaką rakieta może osiągnąć, równa się prędkości wylotowej gazów pomnożonej przez logarytm naturalny stosunku masy początkowej do końcowej. W zapisie: Δv = ve ln(m0/m1). Wynika ono wprost z praw Newtona, a brytyjski matematyk William Moore wyprowadził jego wersję już w 1810 roku dla rakiet Congreve'a, lecz Ciołkowski pierwszy skierował je ku przestrzeni kosmicznej i dostrzegł, co z niego wynika.

Logarytm jest okrutny. Prędkość orbitalna to około 7,8 kilometra na sekundę, a grawitacja i opór powietrza podczas wznoszenia dodają jeszcze około 1,5, więc rakieta potrzebuje mniej więcej 9,4 kilometra na sekundę Δv. Silnik naftowy wyrzuca gazy z prędkością około 3 kilometrów na sekundę. Podzielmy, weźmy funkcję wykładniczą, a masa startowa musi być 23 razy większa od końcowej: 96 procent pojazdu na wyrzutni musi stanowić paliwo, a na zbiorniki, silniki, konstrukcję i ładunek zostają 4 procent. Nikt nie potrafi zbudować tak lekkiego zbiornika. Odpowiedzi Ciołkowskiego z 1903 roku to dwie, które obowiązują do dziś. Użyć najszybszych gazów, jakie się da, dlatego zaproponował spalanie ciekłego wodoru z ciekłym tlenem, pary, która poleciała dopiero w 1963 roku. I wyrzucać po drodze puste zbiorniki. Jego praca z 1929 roku o pociągach rakietowych opisywała stopnie, które palą się kolejno i odpadają, tak że każdy następny zaczyna równanie od nowa z lżejszym pojazdem.

Czy wiesz, że Ciołkowski zbudował w 1897 roku pierwszy w Rosji tunel aerodynamiczny, we własnym domu, i badał w nim modele za pomocą wentylatora, który sam wykonał?

Narysował też kabinę ciśnieniową, śluzę, skafander, zamkniętą szklarnię i stację orbitalną, a także pisał fantastykę naukową, Na Księżycu w 1893 i Poza Ziemią w 1920 roku, by zanieść idee czytelnikom, którzy nigdy nie otworzyliby czasopisma fizycznego. W liście z 1911 roku zapisał zdanie, które cytuje odtąd każda agencja kosmiczna: Ziemia jest kolebką ludzkości, ale nie można wiecznie żyć w kolebce. Zmarł w Kałudze we wrześniu 1935 roku. Sputnik wystartował dwadzieścia dwa lata później, w setną rocznicę jego urodzin, na wielostopniowej rakiecie zaprojektowanej przez inżynierów wychowanych na jego broszurach.

Równanie się nie zmieniło. Każda rakieta nośna latająca dzisiaj, od Sojuza po Starshipa, jest sporem z tym logarytmem, a stopnie pozostają jedyną odpowiedzią, jaką ktokolwiek znalazł.

Ciekłe paliwo Goddarda

16 marca 1926 roku, na zaśnieżonym polu kapusty w gospodarstwie swojej ciotki Effie w Auburn w stanie Massachusetts, Robert Goddard odpalił rakietę zasilaną benzyną i ciekłym tlenem. Paliła się 2,5 sekundy, wzniosła na 12,5 metra i spadła 56 metrów dalej na zamarznięte pole, ze średnią prędkością około 96 kilometrów na godzinę. Patrzyły cztery osoby: Goddard, jego żona Esther z kamerą filmową, w której skończyła się taśma, asystent Henry Sachs i kolega z Uniwersytetu Clarka, Percy Roope. Był to pierwszy lot rakiety na paliwo ciekłe i nie wyglądał jak nic: trzymetrowa rama z cienkich rurek, z małym silnikiem u góry i zbiornikami poniżej. Goddard sądził, że silnik nad zbiornikami ustabilizuje rakietę, tak jak ciągnie się wóz; tak nie jest, o czym wkrótce się przekonał. Data, liczby i fotografia Goddarda przy ramie pochodzą z jego skrupulatnego dziennika.

Goddard, profesor fizyki na Uniwersytecie Clarka w Worcester, gonił za tym od pewnego dnia 1899 roku, gdy jako siedemnastolatek, siedząc na wiśni, wyobraził sobie urządzenie zdolne wznieść się ku Marsowi. W 1914 roku opatentował rakietę na paliwo ciekłe i rakietę wielostopniową, a jego artykuł dla Smithsonian z 1919 roku, Metoda osiągania skrajnych wysokości, wspominał w przypisie, że rakieta mogłaby zanieść proch błyskowy na Księżyc. „New York Times” zadrwił 13 stycznia 1920 roku w artykule redakcyjnym, że brakuje mu „wiedzy wykładanej codziennie w szkołach średnich”, bo przecież każdy wie, że rakieta potrzebuje powietrza, od którego mogłaby się odpychać. Trzecie prawo Newtona mówi co innego. Gazeta opublikowała sprostowanie 17 lipca 1969 roku, gdy Apollo 11 leciał na Księżyc.

Czy wiesz, że po hałaśliwym locie w Auburn w 1929 roku, który ściągnął straż pożarną i reporterów, miejscowy nagłówek obwieścił, iż „rakieta księżycowa” Goddarda chybiła celu o 238 799 i pół mili?

Drwiny oraz zakaz dalszych startów w Massachusetts uczyniły go skrytym. Zainteresował się nim Charles Lindbergh i od 1930 roku rodzina Guggenheimów finansowała przenosiny Goddarda do Roswell w Nowym Meksyku, gdzie w ciągu dekady cichej pracy rozwiązał większość problemów nowoczesnej rakiety: sterowanie żyroskopowe ruchomymi łopatkami w strumieniu gazów, turbopompy, chłodzenie regeneracyjne komory, wychylny ciąg. W marcu 1935 roku jedna z jego rakiet przekroczyła prędkość dźwięku, a w 1937 inna osiągnęła około 2,7 kilometra. Zgłosił lub uzyskał 214 patentów, wiele pośmiertnie za sprawą Esther, i obejmują one niemal każdą część V-2 czy Saturna V.

A jednak jego wpływ na ludzi, którzy zbudowali te maszyny, był niewielki, bo publikował tak mało. Niemieccy inżynierowie w Peenemünde pracowali na podstawie książki Obertha i własnych prób; gdy później zobaczyli jego patenty, Wernher von Braun powiedział, że Goddard wyprzedzał ich wszystkich. Goddard zmarł w sierpniu 1945 roku, trzy miesiące po upadku ostatniego V-2.

Jego imię nosi Centrum Lotów Kosmicznych imienia Goddarda w Marylandzie. Pole kapusty jest dziś polem golfowym z niewielkim kamiennym obeliskiem, mniej więcej tyle uwagi, ile dostał za życia.

Oberth i towarzystwa rakietowe

Rakieta weszła w lata dwudzieste jako książka. Hermann Oberth, Sas siedmiogrodzki, który przeczytał Verne'a w wieku jedenastu lat, złożył w 1922 roku w Heidelbergu rozprawę doktorską o rakietach i został odrzucony; wydał ją własnym sumptem w 1923 roku jako Die Rakete zu den Planetenräumen, Rakietą w przestrzeń planetarną, 92 gęste strony dowodzące, że rakieta na paliwo ciekłe może opuścić Ziemię, przewieźć ludzi i przetrwać podróż. Nakład się wyczerpał, a książka dokonała tego, co nie udało się wcześniejszym pionierom: stworzyła czytelników, którzy w ciągu dekady zorganizowali się w kluby na trzech kontynentach, a kluby odpalały rakiety.

Niemiecki Verein für Raumschiffahrt, Towarzystwo Żeglugi Kosmicznej, założono we Wrocławiu w lipcu 1927 roku, a w 1930 roku miało już dom: Raketenflugplatz, dawny skład amunicji w Berlinie-Reinickendorf, wydzierżawiony przez Rudolfa Nebla. Klaus Riedel budował silniki, Willy Ley pisał teksty reklamowe, a dziewiętnastoletni student inżynierii Wernher von Braun zjawił się, by pomagać. Ich rakiety Mirak i Repulsor, niewiele więcej niż silnik i dwa zbiorniki, sięgały około kilometra; do 1932 roku towarzystwo naliczyło 87 lotów i 270 prób statycznych. Johannes Winkler, pierwszy prezes VfR, wystrzelił pierwszą w Europie rakietę na paliwo ciekłe, HW-1, pod Dessau 14 marca 1931 roku. Potem zapukała armia niemiecka, klub rozwiązał się w 1934 roku, a von Braun poszedł dla niej pracować.

Czy wiesz, że odliczanie wymyślił reżyser filmowy? Fritz Lang dodał „zehn, neun, acht…” do Kobiety na Księżycu w 1929 roku dla napięcia, a prawdziwe starty je przejęły.

Sam Oberth spędził rok 1929 jako doradca naukowy filmu Langa, który pokazywał dwustopniową rakietę, leżanki przeciążeniowe i nieważkość na pokładzie, i obiecał wytwórni prawdziwą rakietę na premierę. Został ranny podczas próby i rakieta nigdy nie poleciała, ale film dotarł do widzów, do których książka dotrzeć nie mogła. W Nowym Jorku redaktor fantastyki David Lasser i dziennikarz G. Edward Pendray założyli 4 kwietnia 1930 roku American Interplanetary Society; ich druga rakieta wzniosła się ze Staten Island 14 maja 1933 roku na około 75 metrów, zanim pękł zbiornik tlenu. W Moskwie Grupa Badania Ruchu Odrzutowego, GIRD, powstała w 1931 roku wokół Friedricha Zandera, Michaiła Tichonrawowa i 24-letniego konstruktora samolotów Siergieja Korolowa. Ich GIRD-09, spalająca żelowaną benzynę z ciekłym tlenem, wzniosła się 17 sierpnia 1933 roku około 400 metrów nad Nachabinem, jako pierwsza radziecka rakieta na paliwo ciekłe; tej jesieni GIRD i leningradzkie laboratorium Walentina Głuszki połączono w instytut państwowy. Brytyjskie Towarzystwo Międzyplanetarne, założone w Liverpoolu w 1933 roku przez Philipa Cleatora, nie mogło odpalić żadnej rakiety z powodu ustawy o materiałach wybuchowych z 1875 roku, projektowało więc na papierze i w 1939 roku stworzyło pierwsze poważne studium lądownika księżycowego.

Wzór powtarza się w czterech miastach: książka, klub, pole, prymitywna rakieta, a potem państwo. Amatorzy dowiedli, że rakiety na paliwo ciekłe są realne, i wykształcili ludzi, którzy miały je uprzemysłowić. Oberth dożył dziewięćdziesięciu pięciu lat, dość, by oglądać start Apollo 11 u boku swojego dawnego ucznia von Brauna.

Każdy start od tamtej pory zaczyna się od dziesiątki Fritza Langa.

V-2

O 15:58 3 października 1942 roku rakieta A-4 wzniosła się ze stanowiska próbnego VII w Peenemünde na bałtyckiej wyspie Uznam, osiągnęła 84,5 kilometra i spadła do morza 190 kilometrów dalej. Dwie wcześniejsze próby tego lata zawiodły; ta się udała, a Walter Dornberger, oficer armii kierujący programem, powiedział tego wieczoru inżynierom, że otworzyli drzwi do podróży kosmicznych. Maszyna, o której mówił, to ta, którą historia nazywa V-2, od Vergeltungswaffe, „broń odwetowa”, nazwy nadanej przez ministerstwo propagandy w 1944 roku.

Miała 14 metrów wysokości, 1,65 metra średnicy i ważyła zatankowana 12,5 tony, z czego 8,8 tony stanowiło paliwo: mieszanka 75-procentowego etanolu z wodą oraz ciekły tlen, tłoczone turbopompą napędzaną parą z nadtlenku wodoru. Silnik dawał około 25 ton ciągu, 245 kiloniutonów, przez mniej więcej 65 sekund, po których pocisk pędził z prędkością około 1600 metrów na sekundę, cztery i pół raza szybciej od dźwięku. Trzy żyroskopy wyczuwały jego położenie; grafitowe łopatki w strumieniu gazów i małe stery na czterech statecznikach kierowały nim; akcelerometr lub wiązka radiowa wyłączały silnik przy zaplanowanej prędkości. Głowica niosła 738 kilogramów amatolu. W locie bojowym tor osiągał szczyt w pobliżu 88 kilometrów, a cały lot do celu odległego o 320 kilometrów trwał około pięciu minut i kończył się uderzeniem z prędkością naddźwiękową, bez ostrzeżenia. Każda z tych liczb pochodzi z rejestrów prób w Peenemünde, które w 1945 roku wpadły w ręce aliantów.

Czy wiesz, że pionowy start próbny 20 czerwca 1944 roku osiągnął 176 kilometrów, jako pierwszy obiekt wykonany przez człowieka przekraczając linię Kármána i wchodząc w to, co dziś definiuje się jako kosmos?

Programem kierowali Dornberger i Wernher von Braun, dyrektor techniczny w wieku trzydziestu lat. Po nalocie RAF na Peenemünde w sierpniu 1943 roku produkcję przeniesiono pod ziemię, do Mittelwerk, tuneli w górze Kohnstein koło Nordhausen, gdzie więźniowie obozu koncentracyjnego Mittelbau-Dora montowali pociski w zimnie, pyle i głodzie. Zbudowano około 6000 V-2. Historycy szacują, że w Dorze i jej podobozach zmarło około 20 000 więźniów, więcej niż około 9000 ludzi zabitych przez V-2 w miejscach uderzeń, a liczby te nie są kwestionowane: przy budowie V-2 zginęło więcej ludzi, niż ta broń zabiła.

Ataki zaczęły się 8 września 1944 roku: rano na Paryż, a o 18:43 na Chiswick w zachodnim Londynie, gdzie na Staveley Road zginęły trzy osoby. Z około 3170 rakiet wystrzelonych bojowo Antwerpia otrzymała około 1600, a Londyn około 1350, w tym jedno trafienie w dom towarowy Woolworths w New Cross, które zabiło 168 klientów. Mniej więcej jedna trzecia startów zawiodła. Ostatnia spadła 27 marca 1945 roku. Jako broń była strategiczną porażką, kosztującą Niemcy więcej niż aliantów; jako maszyna była przodkiem każdego pocisku balistycznego i każdej rakiety nośnej zbudowanej w następnych piętnastu latach przez oba supermocarstwa.

V-2 to miejsce, w którym spotykają się dwie opowieści o lotach kosmicznych, inżynieria i rachunek moralny, i żadnej nie da się opowiedzieć bez drugiej.

Paperclip i radziecki plon

V-2 nie skończył się w 1945 roku; został podzielony. W ostatnich tygodniach wojny armie amerykańska, brytyjska i radziecka ścigały się do Mittelwerk, jego pocisków i ludzi, którzy je rozumieli, a udziały, które każda zdobyła, wyznaczyły tempo następnej dekady. 2 maja 1945 roku Magnus, młodszy brat Wernhera von Brauna, zjechał rowerem bawarską drogą, by znaleźć amerykańskiego szeregowca i poddać zespół; von Braun wybrał już swojego zdobywcę, przenosząc na południe około 500 inżynierów i 14 ton dokumentów przed Armią Czerwoną. Armia amerykańska dotarła do tuneli Mittelwerk koło Nordhausen 11 kwietnia, a zanim 1 czerwca przekazała teren strefie radzieckiej, jej Special Mission V-2 wywiozła części na około 100 pocisków w 341 wagonach.

Operacja Paperclip, program sprowadzania niemieckich naukowców do Stanów Zjednoczonych, przeniosła pod koniec 1945 roku 118 członków zespołu rakietowego do Fort Bliss w Teksasie, von Brauna wśród pierwszej siódemki. Na poligonie White Sands w Nowym Meksyku składali V-2 dla amerykańskich załóg; pierwszy start, 16 kwietnia 1946 roku, zawiódł, drugi, 10 maja, osiągnął 112 kilometrów. 24 października 1946 roku V-2 z kamerą filmową 35 mm wzniósł się na 105 kilometrów i przywiózł pierwsze fotografie Ziemi z kosmosu, ziarniste klatki ukazujące krzywiznę planety. Do 1952 roku z White Sands poleciało 67 V-2, niosąc instrumenty, a dwukrotnie małpy.

Czy wiesz, że pierwszym startem z przylądka Canaveral był Bumper 8, 24 lipca 1950 roku, V-2 z drugim stopniem WAC Corporal? Wcześniejszy Bumper osiągnął w lutym 1949 roku 393 kilometry, rekord, który utrzymał się przez lata.

Wielka Brytania, bez budżetu na program rakietowy, przeprowadziła zamiast tego operację Backfire: w Cuxhaven w październiku 1945 roku niemieckie załogi pod brytyjskim nadzorem wystrzeliły trzy V-2 nad Morze Północne, by sfilmować i udokumentować procedurę. Związek Radziecki, zastawszy opróżniony Mittelwerk, składał, co mógł, z Niemcami, którzy zostali, w tym Helmutem Gröttrupem, szefem grupy sterowania V-2. W nocy 22 października 1946 roku, w operacji Osoawiachim, radzieckie oddziały bezpieczeństwa obudziły około 2200 niemieckich specjalistów z rodzinami i wsadziły ich do pociągów na wschód. Grupa Gröttrupa spędziła sześć lat na wyspie na jeziorze Seliger, konsultowana, lecz trzymana z dala od prawdziwej pracy. Zespół Siergieja Korolowa wystrzelił pierwszego V-2 niemieckiej produkcji z nowego poligonu Kapustin Jar 18 października 1947 roku, odpalił radziecką kopię, R-1, 10 października 1948 roku i do 1950 roku rozwinął ją w R-2 o dwukrotnym zasięgu. Niemcy wracali do domu od 1951 roku; Rosjanie już ich nie potrzebowali.

Bilans jest nierówny, ale nie prosty. Amerykanie dostali przywódców i papiery; Rosjanie dostali fabrykę, inżynierów produkcji i dekadę twardej praktyki, i tak jako pierwsi weszli na orbitę. Rakiety obu narodów z lat pięćdziesiątych, Redstone i R-5 zarówno, były V-2, które dorosły.

Pół przejętego programu rakietowego, jak się okazało, wystarczyło, by rozpocząć wyścig kosmiczny.

Jak działa rakieta

Rakieta to maszyna do wyrzucania masy z tyłu tak szybko, jak się da. Reszty dokonuje trzecie prawo Newtona: każdy kilogram gorącego gazu ciśnięty do tyłu pcha pojazd do przodu z równą siłą, w powietrzu czy w próżni, a próżnia jest nawet lepsza, bo żadna atmosfera nie napiera na wylot dyszy. Ciąg to strumień masy pomnożony przez prędkość wylotową. Pierwszy stopień Saturna V spalał około 13 ton paliwa na sekundę i wyrzucał je z prędkością około 2,6 kilometra na sekundę, co daje mniej więcej 34 meganiutony, dość, by unieść 2900 ton z siłą 1,2 razy większą od ich ciężaru.

Druga ważna liczba to impuls właściwy, prędkość wylotowa podzielona przez przyspieszenie ziemskie, mierzony w sekundach: przez ile sekund kilogram paliwa może dawać kilogram ciągu. Wyznacza go chemia. Paliwa stałe, jak w rakietach pomocniczych promu kosmicznego, dają około 240 sekund i ogromny ciąg; nafta z ciekłym tlenem, jak w F-1, około 300 w próżni; paliwa hipergoliczne, zapalające się przy zetknięciu, używane przez Protona i większość silniczków manewrowych, nieco więcej; metan z tlenem w Raptorze SpaceX około 350; ciekły wodór z tlenem w RS-25 promu około 452, najlepiej ze wszystkich silników chemicznych, za cenę paliwa tak lekkiego, że jego zbiorniki są ogromne.

Najtrudniej jest wtłoczyć paliwo do komory. Komora pracuje przy 70 barach w F-1 i ponad 250 barach w rosyjskim RD-180, więc turbopompy, turbiny napędzane gorącym gazem, muszą tłoczyć mocniej: pompa F-1 dawała 41 megawatów, tyle co silniki dużego statku. Skąd pochodzi ten gorący gaz, określa obieg silnika. Silnik z generatorem gazu, jak F-1 czy Merlin, spala trochę paliwa w osobnej komorze i wyrzuca spaliny za burtę, prosto i nieco rozrzutnie. Silnik ze spalaniem stopniowym, jak RS-25 czy RD-180, kieruje te spaliny do komory głównej, by spalić je ponownie, zyskując sprawność i złożoność. Raptor pracuje w obiegu pełnoprzepływowym, gdzie każdy gram paliwa przechodzi najpierw przez turbinę.

Czy wiesz, że dyszę w kształcie dzwonu wynalazł w 1888 roku szwedzki inżynier Gustaf de Laval dla turbin parowych? Jej zbieżno-rozbieżny kształt rozpędza gazy ponad prędkość dźwięku.

Dysza zamienia ciśnienie w prędkość. Gaz osiąga Mach 1 w wąskim gardle i przyspiesza dalej, gdy dzwon się rozszerza, opuszczając go z prędkością Mach 3 lub większą; silnik próżniowy ma większy dzwon, bo żadne powietrze nie spycha strumienia do środka. Wszystko to służy walce ze stratami: niska orbita wymaga 7,8 kilometra na sekundę prędkości, ale około 9,4 całkowitego Δv, a różnicę pochłaniają grawitacja podczas wznoszenia, opór powietrza i sterowanie, dlatego rakiety pochylają się tak wcześnie, jak tylko śmią.

F-1 dawał 6,77 meganiutona na poziomie morza, RD-180 3,83, RS-25 1,86, Raptor 3 około 2,75; dzisiejsze najcięższe rakiety po prostu montują ich więcej. Każdy to kontrolowana eksplozja utrzymywana w ryzach przez minuty, a to, że w ogóle działają, jest cichym cudem całej tej branży.

Jak wejść na orbitę

Orbita to spadanie, które wciąż chybia. Isaac Newton narysował ten obraz w latach osiemdziesiątych XVII wieku: armata na wysokiej górze strzela coraz szybciej, każda kula spada dalej, aż wreszcie jedna leci tak prędko, że ziemia zakrzywia się pod nią równie szybko, jak ona opada, i kula wraca, by trafić artylerzystę w plecy. Nic nie utrzymuje satelity w górze. Międzynarodowa Stacja Kosmiczna, 400 kilometrów nad Ziemią, spada przez cały czas; po prostu porusza się w bok z prędkością 7,7 kilometra na sekundę, a planeta usuwa się jej z drogi. Nieważkość na pokładzie to nieważkość windy, której pękła lina.

Wysokość jest tania, prędkość droga. Dotarcie na 100 kilometrów, do linii Kármána, którą organizacja rejestrująca rekordy uznaje za granicę kosmosu, wymaga około 1,4 kilometra na sekundę w pionie; orbita wymaga 7,8 w poziomie, a ta prędkość to 95 procent energii. Dlatego rakieta wznosi się tylko chwilę, zanim pochyli się w zakręcie grawitacyjnym, wymieniając wysokość na prędkość, gdy tylko gęste powietrze zostanie za nią.

Czy wiesz, że obrót Ziemi daje startowi na wschód z równika darmowe 465 metrów na sekundę? Dzięki temu europejski port kosmiczny w Kourou, na 5 stopniu szerokości północnej, może wynieść na orbitę geostacjonarną o tonę lub dwie więcej niż Bajkonur na 46 stopniu.

Ta premia za obrót tłumaczy mapę. Kourou w Gujanie Francuskiej, przylądek Canaveral na 28 stopniu, Sriharikota na 13, Wenchang na 19: kosmodromy tulą się do równika i strzelają na wschód nad wodę. Rosyjski Bajkonur, na 46 stopniu w Kazachstanie, zyskuje z obrotu tylko 320 metrów na sekundę, a Plesieck na 63 stopniu około 210; a ISS krąży z nachyleniem 51,6 stopnia, bo to najniższy kąt, jaki Bajkonur może osiągnąć, nie zrzucając zużytych stopni na Chiny.

Wybór orbity zależy od zadania. Niska orbita, poniżej 2000 kilometrów, służy stacjom i większości satelitów; orbita heliosynchroniczna, niemal biegunowa, na około 700 kilometrach, przelatująca nad każdym miejscem o tej samej porze lokalnej, służy obserwacji Ziemi; orbita geostacjonarna, 35 786 kilometrów nad równikiem, to ta, na której 24-godzinny okres satelity zrównuje się z obrotem Ziemi i satelita wisi nad jednym punktem. Radziecka orbita Mołnija, 12-godzinna elipsa nachylona pod kątem 63,4 stopnia, zwleka nad Arktyką, której satelity geostacjonarne nie widzą. Dotarcie na orbitę geostacjonarną odbywa się w dwóch krokach: rakieta nośna umieszcza satelitę na długiej elipsie przejściowej, a na jej końcu własny silnik satelity ją zaokrągla; to transfer Hohmanna, który Walter Hohmann obliczył w 1925 roku, kosztujący dodatkowe około 2,4 kilometra na sekundę.

Co wzleciało, to opada, powoli. Nawet na 400 kilometrach jest dość powietrza, by ściągać ISS w dół o około 2 kilometry miesięcznie, więc kilka razy w roku podnosi się jej orbitę; Sputnik przetrwał 92 dni, Skylab spadł na Australię Zachodnią w 1979 roku, a Mira skierowano w 2001 roku na Pacyfik. Powyżej około 1000 kilometrów satelita pozostanie na stulecia, co jest początkiem problemu kosmicznych śmieci. Orbita nie jest miejscem, lecz prędkością, a każdy start to spór o to, jak kupić ją tanio.

Korolow i von Braun

Wyścig kosmiczny prowadzili dwaj inżynierowie, którzy nigdy się nie spotkali i nie mogli zostać sobie przedstawieni. Jeden był nazwiskiem znanym całemu światu: Wernher von Braun, baron, prezenter telewizyjny, ojciec Saturna V. Drugi był tajemnicą państwową. Do dnia po jego śmierci w styczniu 1966 roku radzieckie gazety nazywały Siergieja Korolowa wyłącznie Głównym Konstruktorem, a gdy komitet noblowski zapytał, kogo uhonorować za Sputnika, Nikita Chruszczow odpowiedział, że osiągnięcie należy do całego narodu radzieckiego.

Korolow, urodzony w Żytomierzu w 1907 roku, był konstruktorem samolotów, który kierował pierwszym lotem rakiety GIRD na paliwo ciekłe w 1933 roku. W czerwcu 1938 roku, podczas stalinowskich czystek, aresztowano go pod sfabrykowanymi zarzutami, bito, aż złamano mu szczękę, i skazano na dziesięć lat. Zimę 1939–1940 spędził w kopalni złota Maldiak na Kołymie, gdzie szkorbut odebrał mu większość zębów i omal nie odebrał życia; listy matki i wstawiennictwo konstruktora lotniczego Andrieja Tupolewa sprawiły, że przeniesiono go do więziennego biura konstrukcyjnego, szaraszki, gdzie pracował pod strażą do 1944 roku. Wysłany w 1945 roku do Niemiec, by badać V-2, z kopii R-1 zbudował R-5, pierwszy radziecki pocisk jądrowy, a potem R-7, 280-tonową rakietę o 32 silnikach, która poleciała 21 sierpnia 1957 roku, sześć tygodni później wyniosła Sputnika, a w 1961 roku Gagarina, i której potomkowie nadal wożą załogi na stację. Kierował programem urokiem, zastraszaniem i sercem osłabionym przez łagry, i zmarł na stole operacyjnym w wieku 59 lat.

Czy wiesz, że kształt R-7, rdzeń z czterema bocznymi członami, wziął się stąd, iż Korolowowi kazano wynieść trzytonową bombę wodorową, zanim fizycy ją zmniejszyli? Ten nadmiar mocy stał się rakietą kosmiczną.

Von Braun, urodzony w Wyrzysku w 1912 roku, wstąpił do NSDAP w 1937 i do SS w 1940 roku, dochodząc do stopnia majora; dokumenty pokazują, że odwiedzał Mittelwerk i znał warunki życia więźniów. Mówił później, że nic nie mógł zrobić; historycy oceniają, że postanowił nie próbować. Krótkie aresztowanie przez Gestapo w 1944 roku, za mówienie o lotach kosmicznych zamiast o broni, oraz poddanie się Amerykanom pozwoliły go przeobrazić. W Stanach Zjednoczonych zbudował Redstone'a, Jupitera i Juno I, który 31 stycznia 1958 roku wyniósł na orbitę Explorera 1, po tym jak Vanguard marynarki eksplodował w telewizji. Sprzedawał kosmos publiczności w „Collier's” i w trzech filmach Disneya od 1955 roku, z których pierwszy, Man in Space, zgromadził około 40 milionów widzów. Z Huntsville w Alabamie kierował Saturnem V i patrzył, jak leci trzynaście razy bez awarii.

Każdy wiedział o drugim i traktował wyścig jak pojedynek: inżynierowie Korolowa studiowali plany Saturna w jawnej literaturze amerykańskiej; von Braun po Sputniku naciskał na Waszyngton, wskazując rywala, którego nie mógł nazwać. Śmierć Korolowa zostawiła radziecką rakietę księżycową w słabszych rękach; von Braun odszedł z NASA w 1972 roku, gdy skasowano linię Saturn, i zmarł w 1977 roku.

Wyścig toczył się między dwoma ludźmi tak samo jak między dwoma systemami, a tego, który go wygrał, wciąż trudniej ocenić.