Cz.8. Pułap 60km nieco za trudny do zdobycia

W poprzednim odcinku przypomniałem nazwiska osób biorących udział w projektowaniu i próbach rakiet Meteor. Wybitny wpływ na końcowy sukces tematu Meteor miał ówczesny Dyrektor Naukowy Ilot, dr inż. Justyn Sandauer, który w najtrudniejszym, pełnym niepowodzeń, okresie pracy, przez czas swojej aktywności w dyrekcji Instytutu aż do połowy 1968 roku, trzymał nad tematem i nad nami „parasol ochronny". 

Meteor-1 pomyślnie realizował powierzone mu zadanie badania prędkości wiatru do wysokości 35-37 kilometrów w strefie powyżej zasięgu sond balonowych. Po sukcesie Meteora-1, wprowadzono temat zbudowania rakiet sondujących górną atmosferę do planu pięcioletniego. Dało to nie tylko dostęp do środków na badania ale przede wszystkim pozwoliło na swobodne prowadzenie pracy nad rakietami przez następnych kilka lat.

Założono, że nowa rakieta ma wynieść ładunek użyteczny o większych rozmiarach niż miało wnętrze grota „jedynki” na pułap 60 km. Dawało by to wyraźną przewagę badaniom rakietowym nad metodami dotychczas używanymi, bo nowa rakieta dolatywać miała dwa razy wyżej niż maksimum osiągane przez sondy balonowe.

Nowy projekt nazwano Meteor-2 (M-2). Podobnie jak przy budowie Meteora-1 projektując rakietę Meteor-2 zespół J. Haraźnego również wzorował się na konstrukcji zagranicznej. Tym razem wzorem była rakieta francuska o ładnej nazwie Veronique, czyli Weronika. Ułatwiło projektowanie to, że Francuzi podarowali Polsce jeden egzemplarz Veronique, który do dziś można obejrzeć w warszawskim Muzeum Techniki.

Fot. Start rakiety Veronique.Meteor-2, podobnie jak francuski pierwowzór został zaprojektowany jako rakieta jednostopniowa. Zachowując proporcje wzorca osiągającego pułap ponad 100 km zmniejszono jej wymiary o około 30%. Obawiając się bardzo utraty kierunku lotu po starcie rakiety w geometrii M-2 zaprojektowano powierzchnię stateczników większą niż wynikała z przeskalowania.

Francuzi dla odpalania Veronique zastosowali unikalny dla startowania rakiet system kabli przymocowanych do końców krzyżaka mocowanego do krawędzi spływu stateczników. Cztery kable równomiernie odwijające się ze szpul prowadziły rakietę pionowo przez pierwsze 50 metrów, poczem krzyżak z kablami był odczepiany. Nasi konstruktorzy wtedy tego francuskiego pomysłu nie znali. Aby zapewnić kierunek odpalenia rakiety Haraźny zaprojektował metalową wyrzutnię o prowadnicach długości 14 metrów opartych na stalowej kratownicy.

W technice wzorowanie się na produktach opracowanych gdzie indziej nie jest powodem do wstydu. Jak bardzo w projektowaniu geometrii rakiet było to praktykowane zauważyć można na fotografiach obok. Na lewej fotografii widać jedną z wersji rozwojowych rakiety V2 o wysokości ok 15m. Prawe zdjęcie, to rakieta Saturn-V, która wynosiła astronautów na Księżyc. Ma wysokość ok.100m ale geometrię zadziwiająco podobną.

W rakiecie M-2, podobnie jak w udanej jej poprzedniczce M-1 zdecydowano się zastosować silnik na paliwo stałe (Veronique miała silnik na paliwo ciekłe). W silniku M-1 paliwo spalało się promieniowo od gwiazdowego osiowego otworu na zewnątrz w kierunku obudowy. Czas pracy silnika dlatego był krótki, około 2 sekundy. Rakieta M-1 osiągała prędkość maksymalną Ma 3,5 na wysokości około 2km. Aby zmniejszyć wielkie straty energii rakiety podczas przelotu przez gęste warstwy atmosfery w silniku M-2 zastosowano spalanie „papierosowe”. Spalanie odbywało się od strony dyszy ku przodowi rakiety. Czas pracy silnika wydłużył się do 18 sekund a prędkość maksymalna Ma 4,5 osiągana była na wysokości około 14 km.

Ze względów bezpieczeństwa zaprojektowano dla rakiety Meteor-2 spadochronowy układ odzyskowy aby wyhamować prędkość opadającej rakiety do 7-10 m/s.

W pracowni obliczeniowej Waldemar Dylewski zajmował się wytrzymałością konstrukcji oraz drganiami i flatterem, a piszący te słowa - aerodynamiką, obliczaniem torów lotu rakiet, problemami termicznymi przy lotach z dużą liczbą Macha, dynamiką lotu oraz wpływem wiatru na tor rakiet.

Każda ze zmian w naszym Meteorze-2 względem pierwowzoru skutkowała zmniejszeniem jej nominalnego pułapu lotu. Na szczęście nie musieliśmy wszystkich niekorzystnych niespodzianek doświadczać podczas kosztownych prób rakiet w locie. W latach 60.. studenci lotnictwa byli już nieźle wyćwiczeni w teorii aerodynamiki naddźwiękowej. Mieliśmy dostęp do zagranicznych publikacji. Mieliśmy kilka amerykańskich podręczników aerodynamiki rakiet. W Empiku tanio kupowaliśmy fachowe wydawnictwa sowieckie. Do obliczeń używaliśmy komputery zwane wtedy "elektronicznymi maszynami cyfrowymi" - w skrócie "maszynami" zajmującymi wraz z urządzeniami towarzyszącymi piętro w niewielkim budynku. Najpierw liczyliśmy na polskiej maszynie ZAM-2 Gamma wyposażonej w niezły na ówczesne czasy język programowania SAKO.

Szybko przeszliśmy na korzystanie z wydajniejszej duńskiej maszyny Gier programowanej w nowoczesnym strukturalnym języku programowania Algol-4.

Już pierwsze obliczenia osiągów wykazały, że zaprojektowana sonda Meteor-2 zadanego pułapu osiągnąć nie zdoła. Wspomniałam, że nasz zespół praktycznie nie działał „zespołowo”. Jedynym wyjątkiem były organizowane co tydzień seminaria, podczas których kolejno jeden z nas referował kolegom problem, którym się zajmuje. Była to ciekawa i oryginalna forma współpracy, ale nie zawsze dająca rezultaty. Wynikało to z niezbyt szczęśliwej pory - poniedziałkowe wczesne poranki pół godziny po rozpoczęciu pracy o 7:30. Pamiętam jak raz szczególnie odczuł to Waldek Dylewski podczas jednego ze swoich seminariów. Omówił on bardzo krytycznie pewne niedopracowanie, a właściwie poważny błąd w konstrukcji, którejś z wczesnych wersji Meteora–2. Waldek analizując na rysunku projekt wykazał, że jedna ze składowych sił zewnętrznych w ogóle nie jest przenoszona przez konstrukcję i wobec tego taka rakieta przy pierwszym odpaleniu na pewno się rozleci!

Kiedy Waldek skończył -Haraźny podziękował mu za ciekawy referat - i wszyscy się rozeszli do swoich pokojów - jakby nic do nich nie dotarło. Wróciłem do naszego pokoju (który zajmowałem razem z Dylewskim), a chwilę później wpadł niedawny prelegent, wściekły, jak nigdy dotąd. Nie ma się czemu dziwić - przed chwilą wykazał, że rakieta jest źle zaprojektowana - a tu żadnej reakcji! Z nerwów złapał brystol, nożyczki, zszywacz do akt - i do końca dnia pracy powycinał z kartonu wszystkie elementy konstrukcji, „znitował” je zszywkami i poszedł z tym kartonowym modelem do gabinetu szefa.

Haraźny kiedy tylko dotknął do kartonowego modelu zrozumiał, o co Dylewskiemu rano chodziło. Konstrukcja natychmiast została poprawiona. Myślę, że dobrze to świadczy o naszym kierowniku. Nikt potem do sprawy nie wrócił, ale od tego czasu nas dwóch - najmłodszych w zespole inżynierskim - szef zaczął traktować poważnie.

Styl działania Haraźnego był dla mnie widoczny też w innym momencie. W lipcu 1965 prawie wszyscy pracownicy naukowi porozjeżdżali się na zasłużone przysługujące im sześciotygodniowe urlopy - niestety, praktycznie wszyscy jednocześnie. Tymczasem praca nie mogła się zatrzymać. Kilka osób zostało w pracy - byli to technicy i ja, gdyż jeszcze urlop mi nie przysługiwał. W związku z tym Haraźny powierzył mi na czas wakacji dowodzenie całym Zakładem Konstrukcji Specjalnych - zdekompletowanym wprawdzie, ale działającym. Do wykonania było ważne zadanie – zrobienie modeli nowej rakiety Meteor-2 do badań w aerodynamicznym tunelu naddźwiękowym. Na szczęście, moi ówcześni podwładni znali się na tym znacznie lepiej niż ja, więc moje kierownictwo polegało w zasadzie na nie przeszkadzaniu im w pracy. Jednak zaufanie, jakie okazał mi wtedy Haraźny, bardzo mnie podbudowało i od tamtej pory pewna nieśmiałość typowa dla po raz pierwszy zatrudnionego mi przeszła.

Opracowujący koncepcję rakiety M-2 zespół Haraźnego zaprojektował rakietę większą od M-1 ale jakby zapominając, że jeszcze na przełomie w XIX i XX wieku Ciołkowski dowiódł, że pułap rakiety nie zależy od jej masy ale od stosunku mas o czym pisałem wcześniej. Oczywiście oprócz wzoru Ciołkowskiego należy wziąć pod uwagę obniżające osiągi rakiety straty jej energii na pokonanie oporu powietrza.

Projekt wstępny i założenia przyjęto opierając się na francuskim wzorcu bez przeprowadzenia szczegółowych obliczeń.

W porównaniu z Meteorem-1, nowa rakieta była większa (długość ok. 4,5 m, średnica 360mm) a przede wszystkim – znacznie cięższa, bo ważyła na starcie 10 razy więcej od Meteora-1. Miała większą objętość użytkową. Dla bezpieczeństwa zaprojektowano spadochronowy układ odzyskowy składający się z dwóch spadochronów umieszczonych przy statecznikach i dyszy silnika.

W pierwszych dniach mojej pracy wszedłem akurat w wir badania tego układu odzyskowego. Nad starym lotniskiem pod Grójcem pilot – oblatywacz Instytutu Lotnictwa Andrzej Abłamowicz z instytutowego samolotu MiG-15 zrzucił zasobnik imitujący rakietę Meteor-2, który płynnie opadł na spadochronach. Pełny sukces. Zrobiłem na tej próbie to zdjęcie .

Ale według moich obliczeń opracowana rakieta Meteor-2 nie mogła osiągnąć nawet pułapu jaki miał Meteor-1, chociaż powinna latać dwukrotnie wyżej. Powodami osiągania w obliczeniach tak niskiego pułapu był niekorzystny stosunek mas i wielki opór denny rakiety spowodowany układem odzyskowym.

Z tym tematem ja wystąpiłem na seminarium. Sugerowałem żeby zrezygnować z układu odzyskowego. Powodował on znaczny przyrost ciężaru, ale jeszcze gorszym było znaczne zwiększenie oporu przy dużych prędkościach. Nieśmiało zakwestionowałem celowość jego zastosowania. Przecież jeżeli pusta rakieta spadłaby przypadkowo na zabudowanie to nie byłaby wielka różnica czy uderzyłaby w trafione zabudowanie lecąc na spadochronach z prędkością 10m/s czy bez spadochronów kilkuset metrów na sekundę. Uważałem że ważniejszym jest zapewnienie aby rakieta upadała w zadany rejon co jest łatwiejsze dla rakiety lecącej szybciej bez spadochronów niż unoszonej pod spadochronami przez wiatr.
Tym razem reakcja była inna niż po uwagach na seminarium Dylewskiego. Natychmiast przekonstruowano rakietę. Całkowicie zrezygnowano z układu odzyskowego. Wiele pracy w jego przebadanie okazało się dla projektu niepotrzebne. Dzięki temu projektowana rakieta stała się lżejsza a przede wszystkim zmniejszył się znacznie jej opór aerodynamiczny. Na pracownię obliczeniową spadło dodatkowe zadanie – wyznaczyć jak przy wietrze ustawiać wyrzutnię startową rakiety aby zapewnić optymalny tor jej lotu a upadek w przewidzianym i zamykanym do tego celu akwenie morskim. Był to mały krok w kierunku sukcesu i zarazem otwarcie kolejnego ciekawego tematu obliczeniowego.

Na papierze powstawały kolejne wersje konstrukcji rakiety. Kiedy przyszedłem do pracy powstawała konstrukcja rakiety M2-C. Do pierwszego startu szef dopuścił do wykonania w metalu dopiero wersję M2-H, już bez układu odzyskowego egzemplarz oznaczony numerem 01 (fot).

Dla odpalania Meteora 2 ustawiono w Bazie w Łebie stałą kratownicową wyrzutnię o długości prowadzenia około 14 m. Z obawy przed niestabilnością w locie, dla Meteora 2 zaprojektowano stateczniki większe niż miała Veronique.

Mimo zmian, jakie wprowadziliśmy, Meteor-2H już bez układu odzyskowego osiągnął zaledwie pułap 44 km.