V-2 raķete

Priekšvēsture

Versaļas līgums aizliedza Vācijai attīstīt ieročus, tai skaitā cietās degvielas raķetes, kuras kā ieročus izmantoja abas karojošās puses Pirmajā pasaules karā, bet šķidrās degvielas raķešu jomā ierobežojumu nebija, jo tolaik tādas praktiski vēl nebija uzbūvētas. 1920. gadu beigās entuziasti no "Kosmisko lidojumu biedrības" (vācu: Verein für Raumschiffahrt - VfR) sāka eksperimentēt ar šķidrās degvielas raķetēm. 1932. gadā Reihsvērs sāka interesēties par šiem pētījumiem potenciālai izmantošanai tālšāvējartilērijā. Pēc Vernera fon Brauna testa raķetes demonstrēšanas ģenerālis Valters Dornbergers aicināja viņu izstrādāt raķetes militārajām vajadzībām. VfR šo piedāvājumu noraidīja, bet Brauns tam piekrita, un viņam pievienojās vairums VfR locekļu.
1934. gada decembrī veiksmīgi tika palaista neliela A2 raķete, kuru darbināja ar etanolu un šķidro skābekli. Tika izmēģināti dažādi varianti un meklēta labākā raķešdegviela, bet militāristi mudināja lietot etanolu, jo Vācijai vienmēr ir bijušas problēmas ar degvielām no naftas. Otrā pasaules kara laikā militārās raķetes darbināja ar etanolu, kuru ieguva no kartupeļiem.
1936. gadā grupa sāka projektēt raķeti A3. Lai nodrošinātu plašāku vietu eksperimentiem un lielāku slepenību, Dornbergers pārvietoja grupu no artilērijas poligona Kumersdorfā (netālu no Berlīnes) uz nelielu ciemu Pēnemindi, kas atradās uz Uzedomas salas Baltijas jūras piekrastē. A3 projekts izrādījās problemātisks, un tas tika pārstrādāts kā A5, lai izmēģinātu tehniskos risinājumus, kas būtu nepieciešami lielākas raķetes būvei. Šī versija bija veiksmīga, un līdz 1941. gadam tika veikti 70 raķešu A5 starti.

A4 projektēšana

Vienlaikus ar A3 projektēšanu Verneram fon Braunam radās ideja radīt vēl lielāku raķeti, kuru nosauca par A4. Tā bija paredzēta lidojuma attālumam līdz 260 km un spējīgai nest 1 tonnu derīgo kravu. Dzinēja vilcei vajadzēja būt vismaz 25 t, un dzinēja izstrādāšanu veica Valters Tīls.
Raķetes izmērus noteica tas, lai to varētu viegli pārvietot uz frontes līnijas tuvumā. Tā kā transportēšanai bija jānotiek pa dzelzceļu, tad maksimālos gabarītus ierobežoja tuneļu diametrs un dzelzceļa sliežu līkumi.
Galvenais jauninājums bija turbosūknis. Lielā raķetē problēma bija, kā nodrošināt degvielas padevi raķešdzinējam. Sūknim vajadzēja nodrošināt degvielas un sašķidrinātas gāzes sūknēšanu ar spiedienu virs 21 atmosfēras (190 l/s). Tam bija jābūt konstruktīvi vienkāršam un vieglam, tam bija jāsāk darboties ļoti īsā laika sprīdī (6 s). Šāda sūkņa risinājumu nebija atradis ne Godards, ne Oberts. Verners fon Brauns līdzīgu konstrukciju atrada kādā sūkņu rūpnīcā, kur izgatavoja ugunsdzēsības centrbēdzes sūkņus. Koncentrētai ūdeņraža pārskābei un kālija permanganāta šķīdumam savienojoties, rodas tvaiks, kas darbina sūkni. Tvaiks bija pietiekams un pastāvīgs, lai 1 minūti veiktu degvielas sūknēšanu.
Vēl viena no svarīgākajām problēmām bija raķešdzinēja izplūdes sprauslas konstrukcija. Ja dzinējs pārdega, tad tas parasti notika degkameras kakla tievākajā vietā. Tika atrasts vienkāršs risinājums - caur urbumiem kritiskajās vietās iesmidzināja spirtu, kas radīja auksta tvaika slāni starp sprauslas sienu un karstajām izplūdes gāzēm. Spirta aizdegšanos novērsa tas, ka tajās vietās netika pievadīts skābeklis.

Izmēģinājumi

Raķetes A4 izmēģinājumiem vajadzēja sākties 1942. gada pavasarī, bet 18. martā pirmais prototips uzsprāga starta laukumā.
A4 pirmais lidojums notika 1942. gada 13. jūnijā, bet vadības sistēmas kļūmes dēļ raķete, nolidojusi tikai 1,3 km, iekrita jūrā. Otrais izmēģinājumu lidojums 1942. gada 16. augustā arī beidzās ar avāriju, raķetei sasniedzot 11 km augstumu. Trešais lidojums 1942. gada 3. oktobrī bija veiksmīgs, A4 nolidoja 193 km, sasniedzot 96 km augstumu. Līdz 1943. gada jūnijam tika veikti 31 starti.
Lai gan jau bija uzsakta V-2 ražošana, vēl joprojām tās bija nedrošas. Līdz 1943. gada septembrim veiksmīgo startu bija tikai 10—20 %. Raķetes eksplodēja visos trajektorijas posmos. Tikai 1944. gada martā tika noskaidrots, ka spēcīgo vibrāciju var mazināt īpaša degvielas vadu konstrukcija. Otrs iemesls bija ļoti jūtīgais impulsu detonators.

Ražošana

Gebelsa propagandas ministrija raķeti nosauca par "Atmaksas ieroci 2" (Vergeltungswaffe 2).
Raķetes A4 masveida ražošana sākās 1943. gadā Pēnemindē un Cepelīna rūpnīcā Frīdrihshafenē. Pēc Vērmahta aprēķiniem, Londonu vajadzētu apšaudīt ik pēc 20 minūtēm. Lai to nodrošinātu, katru mēnesi vajadzētu aptuveni 3000 raķešu. 
900 gabalu V-2 palaišanai mēnesī vajadzēja 13000 t šķidrā skābekļa, 4000 t etilspirta, 2000 t metanola, 500 t ūdeņraža pārskābes, 1500 t sprāgstvielu un lielu daudzumu citu materiālu.
1943. gada jūlijā izgatavoja tikai 300 raķetes, kuras iztērēja testa startiem.
Sabiedroto spēki bija informēti par jauno ieroci (no poļu pretestības dalībniekiem tika saņemtas kādas nokritušas raķetes daļas, kā arī britu izlūkdienests ieguva tehnisko informāciju).
1943. gada 16.-17. augusta naktī britu spēki veica operāciju "Hidra" (Hydra) - Pēnemindes masīvu bombardēšanu. Tās laikā gāja bojā vairāki inženieri un strādnieki, to skaitā arī Valters Tīls - A4 raķešdzinēja konstruktors. Bombardēšanas rezultātā tika sagrauta lielākā daļa ražošanas un izmēģinājumu būvju.
Lai ražošanas iekārtas un produkcija nebūtu sasniedzamas aviācijai, ražošana tika pārcelta uz Mitelverkas tuneļu sistēmu zem Konštainas kalna, kas bija daļa no Mitelbauas-Doras koncentrācijas nometnes netālu no Nordhauzenas Vācijā. 1943. gada beigās Mitelverkā piespiedu darbu strādāja vairāk nekā 10 500 cilvēku, un daudzi no viņiem mira smago apstākļu (aukstuma un mitruma) dēļ.

Pēckara periods

Kara beigās ASV un PSRS centās pārtvert pēc iespējas vairāk V-2 raķešu un to daļu. Bez simtiem raķešu ASV ieguva arī 126 svarīgākos konstruktorus, ieskaitot Verneru fon Braunu un Valteru Dornbergeru.
1945. gada oktobrī briti veica operāciju Backfire - samontēja vairākas V-2 raķetes un trīs no tām palaida Ziemeļvācijā. Operācijā iesaistītie inženieri pēc tam devās uz ASV. Backfire atskaite kļuva par plašāko raķetes tehnisko dokumentāciju.
Operācijas Paperclip rezultātā vācu inženieri ASV tika legalizēti. ASV raķešu programma tika attīstīta no atlikušajām V-2 raķetēm, no kurām 60 tika palaistas. 1946. gadā ar V-2 pirmoreiz kosmosā pabija pirmie dzīvnieki, tad tika palaisti augļi, lai pētītu radiācijas iedarbību. Dažas V-2s bija apgādātas ar WAC raķeti kā otro pakāpi. Šīs raķetes sauca par Bumper. 1949. gada 24. februārī no poligona White Sands palaistā Bumper sasniedza līdz tam rekordaugstumu - 400 km un ātrumu 8290 km/h. Daudzas no šīm raķetēm tika izmantotas atmosfēras augšējo slāņu pētīšanai un citiem mērķiem.
PSRS arī ieguva daļu V-2 raķešu un iekārtu, sākotnēji paturot tās Vācijā, kur arī tika atjaunota ražošana. 1946. gadā raķetes tika pārvietotas uz Kapustin Jaru PSRS. No Vācijas atvesto konstruktoru grupas devumu tieši neieviesa ražošanā, bet vietējie konstruktori labākos viņu risinājumus izmantoja savos izstrādājumos. Tā veidojās PSRS raķešbūves pieredze. Vācu grupa atpakaļ uz Vāciju tika repatriēta 1950. gadu sākumā.
Pēc A4 rasējumiem, bet ar padomju materiāliem un tehnoloģijām tika izgatavota V-2 kopija, kuru nosauca par R-1. Drīz pēc R-1 sekoja R-2, kas jau bija citāda raķete.

Raķetes uzbūve

Raķete A4 sastāvēja no četriem nodalījumiem.

Kaujas galviņa

Raķetes augšgalā atradās kaujas galviņa ar masu aptuveni 1 tonna, kas izgatavota no 6 mm bieza mīkstā tērauda un piepildīta ar amatolu. Šī sprāgstviela tika izvēlēta tādēļ, ka tā bija mazjūtīga pret karstumu un triecieniem.

Iekārtu nodalījums

Zem kaujas galviņas atradās iekārtu nodalījums, kurā bez vadības un radiosakaru aparatūras atradās arī vairāki saspiestā slāpekļa baloni, kurus izmantoja, lai palielinātu spiedienu degvielas tvertnē.

Vadības iekārta

A4 vadība notika ar žiroskopisku inerciālo navigācijas sistēmu, kura kontrolēja aerodinamiskās un gāzes stūres. LEV-3 vadības sistēma sastāvēja no diviem brīvajiem žiroskopiem sāniskai stabilizācijai un žiroskopiskā akseleratora dzinēja izslēgšanai. Vēlākās V-2s modifikācijas izmantoja radiosignālus no zemes, lai veiktu navigāciju uz mērķi, bet pirmie modeļi izmantoja vienkāršu analogo datoru, kas pieregulēja raķetes azimutu. Lidojuma attālumu kontrolēja ar dzinēja izslēgšanu (Brennschluss), ko veica no zemes ar Doplera sistēmu vai raķetē iebūvētajiem akselerometriem.

Degvielas nodalījums

Raķetes vidusdaļā atradās degvielas nodalījums, kas bija 75% no pilnībā uzpildītas raķetes masas. V-2 tika iepildīta ar 3800 kg spirtu (75-80% etanola un ūdens maisījumu) kā degvielu un 4900 kg šķidro skābekli kā oksidētāju. Spirta tvertne atradās augšdaļā, un tā bija izgatavota no alumīnija, lai samazinātu raķetes masu, bet tas bija liels slogs Vācijas ekonomikai, jo šis metāls bija rets un vērtīgs. Zem tās atradās skābekļa tvertne, caur kuru gāja degvielas caurule uz dzinējiekārtu. Tukšumi starp tvertnēm un raķetes korpusu tika aizpildīti ar stiklašķiedras siltumizolācijas materiālu.

Astesdaļa

Raķetes astesdaļā bija nostiprināti četri stabilizatori. Tajos bija iemontēti elektromotori aerodinamiskās stūres pagriešanai, kā arī gāzes stūres pagriešanas iekārtas. Pie stabilizatoriem bija piestiprinātas radiovadības iekārtu antenas.

Turbosūknis

Degvielu un oksidētāju sūknēja ar tvaika turbīnu (turbosūkni); tvaiks tika iegūts no koncentrētas ūdeņraža pārskābes ar kālija permanganāta katalizatoru.

Raķešdzinējs

Dzinēja degšanas kamera bija bumbierveida, tai bija iekšējā un ārējā čaula, starp kurām plūda aukstā degviela. Šādā veidā tika dzesēta degkamera, kā arī uzsildīta degviela. Temperatūra degšanas kamerā sasniedza 2500−2700 °C. Degvielu degkamerā iesmidzināja caur 1224 sprauslām, kas nodrošināja precīzu spirta un skābekļa maisījumu visā dzinēja darbības laikā. Daļa spirta pa caurumiem tieši tika novadīta degšanas kamerā, tā radot robežslāni, kas aizsargāja kameras sienas; sevišķi svarīgi tas bija kakla daļā, kur degkamera bija vistievākā.
Dzinēja iedarbināšana notika ar pirotehnisku ierīci. Tā horizontāli griezās degkamerā un aizdedzināja degvielas un skābekļa maisījumu. Krustveida formas pirotehniskā ierīce sadega, tiklīdz dzinējs sāka darboties.

Sagatavošana startam

Lai palaistu A4, to uzstādīja starta laukumā uz horizontāli novietota masīva tērauda gredzena, kas nostiprināts uz četriem atbalstiem. Zem gredzena atradās gāzu strūklas deflektors, kas bija izgatavots no loksnes tērauda piramīdas formā un piepildīts ar ūdeni.
Pēc raķetes uzstādīšanas notika degvielas (spirta) uzpildīšana. Šķidro skābekli uzpildīja īsi pirms paša starta, jo tas ātri iztvaiko (2 kg minūtē). Pieļaujamā aizkavēšanās bija 20 minūtes (līdz 40 kg oksidētāja zudumiem). Ja starts notika vēlāk, tad šķidrais skābeklis bija jāpapildina.
Raķetes elektroierīces starta laukumā darbojās no ārējā avota pa kabeli, kura savienojumu īpašā ligzdā noturēja ar magnēta palīdzību. Elektrosavienojums tika pārtraukts starta brīdī.

Starts

Raķetes iedarbināšana notika vairākos posmos. Sākumā tika aizdedzināta pirotehniskā ierīce. Kad tā sadega, atvērās vārsti. Sākotnēji spirts un skābeklis plūda smaguma spēka iedarbībā. Tā tika novērtēts, vai dzinējs darbojas normāli. 
Pēc tam ieslēdzās tvaika gāzu ģenerators un sāka darboties turbosūknis, kas radīja nepieciešamo spiedienu degvielas pieplūdei degkamerā. Trīs sekunžu laikā spiediens pieauga līdz nepieciešamajam līmenim, dzinēja vilcei pieaugot no 7 līdz 27 tonnām, un raķete atrāvās no zemes.

Lidojums

Sākumā raķetes gaita bija lēna, un šajā posmā tā bija ļoti nestabila, tāpēc stabilizāciju nodrošināja gāzes stūres. Kad ātrums pieauga, gāzes stūrēm palīdzēja aerodinamiskie stabilizatori. Raķetei uzlidojot augstumā, kur gaiss bija ļoti retināts, stabilizāciju atkal veica gāzes stūres. Startējot vertikāli, gāzes stūrēm raķeti bija tikai jānotur vertikālā virzienā, bet palaižot uz mērķi, tām raķeti vajadzēja novirzīt nepieciešamajā virzienā. Pēdējā gadījumā raķete palika vertikālā stāvoklī tikai pirmās četras sekundes, pēc kā tā sasvērās uz vajadzīgo pusi. Skaņas barjeru V-2 pārsniedza 25 sekundes pēc starta. 54. sekundē beidzās raķetes darbības aktīvais posms, pēc kura 8-10 s raķete pēc inerces turpināja uzņemt augstumu. Pēc apogeja sasniegšanas raķete sāka krist lejup.