Анализируя роман дальше, Герман в конце концов натолкнулся на непреодолимое препятствие: им оказалось ускорение, которое снаряд должен испытывать во время разгона на сравнительно коротком участке – 275 метров. К тому времени Герман уже знал формулы для равноускоренного движения – оказалось, что если предположить разгон снаряда в стволе орудия равноускоренным, то он будет испытывать гигантские ускорения, а, согласно Ньютону, сила равна массе, умноженной на ускорение, и это позволяло определить силу, с которой пассажир, находящийся в снаряде, будет прижат к его дну. Вычисления дали невероятно большую силу «прижатия», которая в 23000 раз превышала вес человека. Было понятно, что при этом ускорении не только пассажир был бы раздавлен в лепешку, но и сам космический снаряд разрушился бы.
Когда на уроках физики стали изучать электромагнитные силы, Герман попытался решить проблему, поместив разгоняемый электромагнитными силами снаряд в туннель, из которого выкачан воздух – так называемая «электромагнитная катапульта». Расчеты, которые помог сделать учитель физики, дали потребную длину туннеля в 11000 км!
Герман пытался придумать и иные способы разгона, но всякий раз убеждался в их неосуществимости. В своих воспоминаниях он рассказывает о том, что таких неудачных в своей основе проектов придумал и просчитал не менее десятка. Поразительно, но во время этих поисков он долго не обращался к ракете, хотя такое решение лежало, казалось бы, на поверхности: ведь во втором романе Жюля Верна «Вокруг Луны» космический снаряд тормозился с помощью ракет. Лишь постепенно, по мере того как он убеждался в бесперспективности всех других средств, он стал приходить к мысли, что ракетный способ разгона единственно осуществимый.
В автобиографии Оберт пишет: «…я не могу утверждать, что эта идея была мне симпатична. Меня беспокоили взрывоопасность и плохое соотношение между массой топлива и полезной нагрузкой. Однако я не видел иного пути».
Придя к мысли, что пушки и другие разгонные устройства малоэффективны, Герман начал размышлять об устройстве ракет. Первый набросок относится к 1909 году. Это должна была быть ракета, способная поднять несколько человек. В качестве топлива для этой ракеты Герман предполагал использовать увлаженную нитроклетчатку (пироксилин), заряды этого взрывчатого вещества сжигались в аппарате, напоминающим пулемет, а выхлоп газов осуществлялся через сопла, устройство которых он заимствовал у водяных турбин Пельтона.
Работая над ракетами, юный Оберт вынужден был пользоваться какими-то разумными формулами. Уже в гимназии ему были известны первые физико-математические соотношения, касающиеся полета ракет. И кажется он пользовался одним из вариантов соотношения, известного сегодня как «формула Циолковского». На самом деле формула, полученная Циолковским и описывающая разгон ракеты в зависимости от количества израсходованного топлива, настолько элементарна, что ее способен вывести любой человек, знакомый с азами высшей математики. Этим, в частности, объясняется и то, что все пионеры космонавтики (Годдард, Оберт, Эсно-Пельтри, Цандер, Кондратюк) легко получали ее независимо друг от друга и от Циолковского. Более того, сравнительно недавно историки науки обнаружили, что получение формулы Циолковского было рутинной задачей, предлагавшейся студентам Кембриджского университета – она входила в учебник, изданный впервые в 1856 году (последнее издание 1900 года). Поэтому можно смело утверждать, что сотни (или даже тысячи!) студентов в течение более сорока лет выводили «формулу Циолковского» задолго до него. Гений Циолковского (как и других пионеров космонавтики) заключается вовсе не в том, что им выведена некая простая формула. Ее знали давно и многие, но Константин Эдуардович первым показал, что эта формула открывает путь в космос.
Мог ли гимназист Оберт знать эту формулу? Скорее всего, да, ведь он много занимался самообразованием, в том числе изучал книгу «Математика для всех», доводившую читателя до дифференциальных уравнений.
Расчеты необходимого для разгона ракеты топлива привели Германа в уныние. Единственным способом спасти ситуацию было увеличение скорости истечения газов из сопла ракетного двигателя, ведь полученная при разгоне скорость была пропорциональна скорости истечения. Выход подсказал случай. В руки молодого человека попал очередной научно-фантастический роман Ганса Доминика. В этом романе описывались самые невероятные устройства, и, в частности, упоминался двигатель, работающий на сжигании водорода в кислороде. При ознакомлении с соответствующей литературой Герману стало ясно, что эти два компонента выделяют при химической реакции огромное количество энергии. Но чтобы взять достаточно большое количество этих газов на борт ракеты, надо будет сжать их до очень больших давлений или сделать жидкими. Так родилась идея жидкостной ракеты.
Набросок такой ракеты, придуманной юным Германом, относится к 1912 году. В первой книге Оберта «Ракета в межпланетное пространство» говорится о том, что в 1912 году им была разработана жидкостная ракета, в которой в качестве топлива использовалась комбинация жидкого кислорода и спирта. Запомните эту комбинацию. Через тридцать лет десятки заводов по всей Европе будут гнать спирт для тринадцатитонных ракет, нацеленных на Лондон…
По окончании гимназии возник вопрос о дальнейшем образовании Германа. Мать считала, что он должен был бы избрать профессию, связанную с математикой и физикой, отец, наоборот, считал, что его сын должен продолжать семейную традицию – стать врачом. В конце концов верх взяла точка зрения отца, и Герман Оберт в Мюнхен изучать медицину.
В Германии Оберт не только успешно изучал медицину, но одновременно посещал лекции известного физика Зоммерфельда и механика Эмдена, занимался математикой и астрономией. Однако вскоре занятия пришлось оставить – началась Первая мировая война. Как гражданин Австро-Венгрии он должен был покинуть Германию, вернуться на родину, где и был призван в армию. Оберт попал в пехоту, был отправлен на Восточный фронт и в феврале 1915 года ранен. В конце концов он был направлен в госпиталь, находившийся в городе его детства. После выздоровления его оставили при военном госпитале города Шессбурга в качестве санитара-фельдфебеля.
Оберт не забыл своего давнего увлечения. В 1917 году он разработал проект ракеты, произведя все необходимые расчеты. Проект предусматривал создание огромной по тем временам ракеты – высотой в 25 метров (это высота 8-этажного дома) и диаметром 5 метров. Внешне она походила на баллистические ракеты сегодняшнего дня. В головной части ракеты помещался заряд взрывчатого вещества массой 10 тонн. Там же Оберт разместил автоматическое устройство для управления полетом, сконструированное на использовании одного свободного гироскопа, ось которого располагалась параллельно оси симметрии ракеты и, кроме того, в заданном направлении движения ракеты. Для управления угловым положением ракеты сигналы, снимавшиеся с гироскопа, преобразовывались в команды поворота рулей, установленных в хвостовой части ракеты.
В ракете 1917 года Оберт отказался от старой идеи использовать в качестве топлива водород и кислород. Дело в том, что эта смесь дает при сгорании столь высокую температуру, что охлаждение камеры сгорания и сопла становилось целой проблемой. Переход к топливам, выделяющим при реакции горения меньше тепла, упрощало задачу охлаждения ракетного двигателя. Правда, при этом уменьшалась и скорость истечения продуктов сгорания из сопла, что снижало эффективность двигателя, однако Оберт не планировал использовать свою ракету для достижения космических скоростей, видя в ней боевую ракету небольшой дальности полета. Соображения такого рода дали Оберту основания выбрать в качестве окислителя жидкий воздух, а в качестве горючего – этиловый спирт (с возможностью снижения его калорийности добавлением воды).
Теплоизолированный бак с жидким воздухом помещался над баком со спиртом. Подача топлива в камеры сгорания двигателей осуществлялась специальными насосами. Для приведения в действие насосов и небольшой динамомашины (обеспечивающей бортовое питание электроэнергией) на ракете устанавливался газогенератор, работавший на тех же компонентах, что и основные ракетные двигатели. Этот же газ использовался для наддува баков с целью придания их тонкостенным конструкциям необходимой устойчивости. Для охлаждения камеры сгорания двигателей предполагалось использовать охлажденный спирт, который затем, уже подогретым, поступал в камеру сгорания – в итоге тепло, ушедшее через стенки камеры в охлаждающую жидкость, не терялось, а возвращалось в цикл.
