Работы Цандера в Институте авиационного моторостроения
В 1928 г. Цандер в инициативном порядке приступил к проектированию первого в СССР экспериментального реактивного двигателя ОР-1 (опытный реактивный первый). В 1930 г. на испытательной станции ЦАГИ была создана экспериментальная установка ОР-0, на которой проводились опыты по сжиганию сжатой воздушно-бензиновой смеси в камере сгорания. Эти опыты помогли Цандеру спроектировать оригинальную камеру сгорания двигателя ОР-1. Поскольку двигатели изготовлялись в мастерских ЦАГИ вне плана, Цандеру пришлось проявить немало изобретательности, чтобы его конструкция была максимально простой. Так, например, принцип подачи бензина был заимствован от обычной паяльной лампы. Двигатель работал на сжатом воздухе и бензине, развивая тягу до 145 гс.
С помощью ОР-1 в Институте авиационного моторостроения, куда Цандер перешел в декабре 1930 г., удалось осуществить широкую экспериментальную программу. Первые огневые испытания двигателя ОР-1 состоялись 18 сентября 1930 г. В 1931 г. в Институте авиационного моторостроения была скомплектована бригада по реактивным двигателям во главе с Цандером, которая наметила широкую программу работ по жидкостным ракетным и воздушно-реактивным двигателям, вплоть до разработки небольших ракет и проведения подготовительных работ по установке двигателя на аэроплане.
Цандер считал, что в качестве окислителя для космических ракет следует применять кислород, запасенный в жидком виде, а для ракет, совершающих полет в атмосфере,- кислород, черпаемый из воздуха. В качестве одного из компонентов горючего он предлагал использовать металл отработавших элементов конструкции летательного аппарата. Понимая, что сразу создать такой двигатель - дело нереальное, он наметил путь постепенного перехода к решению этой задачи. Для двигателя ОР-1 были выбраны простейшие компоненты: сжатый воздух и бензин. Затем Цандер наметил последовательно перевести ОР-1 на работу на жидком воздухе, обогащенном кислородом, и наконец на жидком кислороде. При этом в программе работ по ОР-1 предусматривались его испытания как ракетного двигателя, когда воздух подавался из баллонов, как воздушно-реактивного двигателя, когда воздух нагнетался компрессором, как комбинированного реактивного двигателя, а также как устройства для получения высокоскоростной струи аэродинамической трубы и проведения опытов по распылению и сжиганию металлов. Работы по кислородным ЖРД Цандер и его сотрудники проводили в новой организации - ГИРД.
Группа изучения реактивного движения
Опыт первых организаций энтузиастов ракетной техники и космического полета в 20-х годах оказался весьма ценным, когда в СССР появились, условия для практической работы в этой области. В начале 30-х годов такие организации стали создаваться в рамках Общества содействия обороне, авиационному и химическому строительству (Осоавиахим), уделявшего большое внимание новым областям техники.
Новая общественная организация энтузиастов ракетной техники - Группа изучения реактивного движения (ГИРД) была создана осенью 1931 г. в Москве. Первыми ее членами были Ф. А. Цандер, С. П. Королев, Ю. А. Победоносцев, М. К. Тихонравов, В. П. Ветчинкин и др. С момента основания ГИРД установила тесную связь с К. Э. Циолковским, оказавшим большое влияние на ее деятельность. В своей деятельности ГИРД опиралась также на теоретические и экспериментальные работы Цандера. Первым конкретным делом, объединившим гирдовцев, была работа по созданию самолета с ЖРД. Известие о создании в Москве при Центральном совете Осоавиахима Группы изучения реактивного движения вызвало широкие отклики и явилось толчком к созданию объединений энтузиастов при местных организациях Осоавиахима. Важной задачей ГИРД в Москве, которая называлась также ЦГИРД (Центральная группа изучения реактивного движения), явилась координация и руководство деятельностью объединений энтузиастов ракетной техники при местных осоавиахимовских организациях.
Летом 1932 г. решением Президиума Центрального совета Осоавиахима ГИРД из объединения, работающего на общественных началах, была преобразована в научно-исследовательскую и опытно-конструкторскую организацию по разработке ракет и двигателей, финансируемую как из средств Осоавиахима, так и государственных средств. Организации было предоставлено помещение для создания научно-производственной базы. Начальником ГИРД был назначен Королев, который до этого был председателем научно-технического совета.
Основными направлениями деятельности ГИРД являлись: научно-исследовательская, проектно-конструкторская и экспериментальная работа по созданию и испытаниям опытных образцов реактивных двигателей разных типов и ракетных летательных аппаратов; научно-техническая пропаганда в области ракетной техники и участие в подготовке специалистов для нее; руководство и координация деятельности периферийных организаций, занимавшихся разработкой проблем ракетной техники в рамках местных организаций Осоавиахима.
Результаты, полученные с помощью двигателя ОР-1, позволили Цандеру приступить к разработке ЖРД на низкокипящем окислителе (жидком кислороде) сначала для ракетоплана и затем для баллистической ракеты. В конце декабря 1932 г. двигательная установка с ЖРД ОР-2 в окончательном виде была принята комиссией, после чего были проведены ее холодные испытания и начаты огневые испытания, которые закончились разрушением камеры сгорания. На доработку двигателя ушло 2 года, завершена она была под руководством Л. С. Душкина уже в Реактивном научно-исследовательском институте путем коренной переделки (замена бензина на водный раствор спирта, введение керамической облицовки камеры сгорания и др.). Новому двигателю был присвоен шифр 02. ЖРД 02 надежно и стабильно работал в течение 60 с и развивал тягу 100 кгс при давлении в камере сгорания 11 кг/см2. Этот двигатель испытывался в полете в 1935-1936 гг. на экспериментальной баллистической ракете и крылатой ракете.
В январе 1933 г. первая бригада под руководством Цандера приступила к разработке ракеты ГИРД-Х. Она была рассчитана на достижение высоты 5500 м при стартовой массе 29,5 кг и массе топлива 8,3 кг, имела цилиндрический корпус длиной 2200 мм и диаметром 140 мм. При огневых испытаниях, начатых в августе 1933 г., двигатель этой ракеты прогорал, поэтому решено было вместо бензина использовать этиловый спирт, обеспечивающий меньшую теплонапряженность камеры сгорания и плавное горение, а также изменить конструкцию. Пуск ракеты ГИРД-Х состоялся 25 ноября 1933 г. Она взлетела, достигла высоты 80 м, но затем из-за вибрации нарушилось крепление и разрушился трубопровод горючего ее двигателя, отчего ракета развернулась и упала в 150 м от старта.
Деятельность второй бригады ГИРД, руководимой Тихонравовым, была сосредоточена на разработке жидкостных ракет и двигателей на гибридном и жидком топливах. Ракета 09 с гибридным двигателем на жидком кислороде и отвержденном бензине имела следующие характеристики: стартовая масса 18 кг, масса топлива 4,5 кг, тяга двигателя 25-33 кгс, время его работы 15 с.
Все горючее (1 кг отвержденного бензина) размещалось в камере сгорания, что позволило упростить двигательную установку, исключив бак горючего и систему его подачи. Сгорая параллельными слоями от центра камеры к периферии, слой горючего защищал ее стенки от воздействия пламени до момента полного выгорания и прекращения работы двигателя.
17 августа 1933 г. группа сотрудников ГИРД под руководством Королева провела успешный пуск ракеты 09 в районе подмосковного поселка Нахабино. Ракета находилась в полете 18 с и поднялась на 400 м. Этот полет позволил Королеву поставить вопрос об ускорении создания Реактивного научно-исследовательского института и о выделении дополнительных средств на постройку опытной серии жидкостных ракет.
Третья бригада ГИРД, руководимая Победоносцевым, занималась проблемой создания прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ПВРД). В ГИРД была построена установка ИУ-1, сверхзвуковая аэродинамическая труба, в которой 15 апреля 1933 г. состоялось первое испытание ПВРД. Экспериментальные исследования на ИУ-1 дали необходимый материал для конструирования ПВРД и его испытаний в полете. В сентябре 1933 г. были проведены первые летные испытания ПВРД, помещенного в корпус 76-миллиметрового артиллерийского снаряда, выстреливаемого из пушки со сверхзвуковой скоростью. ПВРД имел входной канал, камеру сгорания с топливной шашкой и выходное сопло. Натурные эксперименты подтвердили работоспособность ПВРД, рассчитанного на основе теории воздушно-реактивных двигателей, разработанной Б. С. Стечкиным, и целесообразность дальнейшей работы в этом направлении.
Разработкой крылатых ракетных летательных аппаратов занималась четвертая бригада ГИРД, которой в основном руководил С. П. Королев. Бригада разрабатывала установку двигателя ОР-2 на «бесхвостку» конструкции Б. И. Черановского (РП-1). Однако реализовать этот проект не удалось из-за того, что к тому времени еще не были разработаны достаточно мощные и надежные ЖРД. Поэтому основной тематикой работ бригады стали беспилотные крылатые ракеты, которые сначала разрабатывались как модели ракетопланов, а затем получили и самостоятельное значение как перспективные крылатые управляемые ракеты.
Наряду с научно-производственной работой важным направлением деятельности ГИРД явились пропаганда и популяризация ракетной техники. Продолжая начатую в 20-е годы пропаганду идей межпланетных полетов, гирдовцы сделали основной акцент на широкое распространение технических знаний. Перед ГИРД стояла также задача - готовить кадры специалистов в области ракетной техники. В начале 1932 г. в Москве создаются курсы по ракетной технике - первые в истории специальные инженерно-технические курсы по этой тематике. Преподавали на курсах ученые и специалисты. В частности, Цандер читал курсы теории и конструирования реактивных двигателей и теории межпланетных полетов, Тихонравов - курс ракетостроения, Ветчинкин - курс динамики реактивных аппаратов, Стечкин - курс теории воздушно-реактивных двигателей и т. д. Курсы работали в 1932-1933 гг. при ГИРД и позднее при Стратосферном комитете Центрального совета Осоавиахима. Подготовка на курсах во многом способствовала повышению уровня работ и квалификации специалистов в области ракетной техники.