Для эффективности двигателя нужно, чтобы горючее и окислитель смешивались равномерно внутри камеры сгорания. Первые двигатели в СССР оснащались различными типами форсунок, среди которых лучше всего себя показали центробежные. При движении по кругу жидкость образует слой, напоминающий тонкую пленку. При вылете поток встречает воздух и дробится на мелкие капли, которые равномерно распределяются в конусе. Шесть таких центробежных форсунок впервые установили на двигателе ОРМ‐65, и они занимали много места. В двигателе РД‐107 для ракеты-носителя Р‐7, на которой летал Юрий Гагарин, было 920 форсунок, но меньшего размера и куда более легких. Они используются для эффективного сжигания жидкого топлива в камерах сгорания газотурбинных двигателей электростанций, в турбореактивных двигателях самолетов, иногда в двигателях внутреннего сгорания. Кроме этого, форсунки применяются в огнетушителях и системах распыления воды – в увлажнителях, разбрызгивателях и т. д. Насколько важна эта деталь для космонавтики, видно уже по тому, что одну из модификаций ракеты-носителя «Союз» – «Союз-ФГ» – назвали так именно благодаря форсуночной головке.

Двигатель ОРМ‐65 в разрезе и двигатель РД‐107

После форсунок большой проблемой для инженеров стало изготовление турбин, вернее, лопаток, что выдерживали бы огромное давление. С проблемой столкнулся еще первый изобретатель этого механизма – Густав Лаваль – в 1883 году. Турбина – это механизм, который приводится в движение при помощи потока газа или жидкости между лопатками; они раскручиваются и передают вращение валу, и внутренняя энергия топлива или потока переходит в энергию движения. Лопатки должны быть не только прочными, но и абсолютно точно выверенными. Космические инженеры смогли разработать технологию отливки и добиться высокой эффективности, а турбины также стали применяться на тепловых, атомных и гидроэлектростанциях и как составная часть приводов на морском, наземном и воздушном транспорте.

Лаваль для повышения качества своей турбины использовал специальный расширитель – сопло. Сейчас же, когда речь заходит о реактивных двигателях, сразу появляется именно образ сначала сужающейся, а потом расширяющейся трубы – сопла. Лаваль не обладал современными знаниями, он создал сопло такой формы исходя из эмпирических соображений. Ученые при проектировании ракетных двигателей опробовали разные формы расширителей, нужных для увеличения скорости потока. В камере сгорания атомы горючего теснятся, а потом – при расширении – высвобождаются и ускоряются, а давление снижается. Это происходит с любыми жидкостями. Сопло Лаваля оказалось наиболее эффективным для реактивных двигателей, где скорости выше скорости звука, а также для пескоструйных машин и плазменных резаков. Другие типы сопел стали применяться в распылителях краски и струйных системах водяной очистки.

Параллельно с разработкой двигателя встал и еще один фундаментальный вопрос: управление. Контролировать движение вручную невозможно – человек не такой быстрый. Инженеры обратились к гироскопам – это вращающиеся диски наподобие юлы. Гироскопы всегда сохраняют свое положение в пространстве после того, как их раскрутили, это гарантирует закон сохранения момента импульса. Если бы внутри ракеты находился такой прибор, можно было бы мгновенно понять, в какую сторону повернула ракета – появился бы угол между корпусом и гироскопом, и этот угол был бы равен углу поворота.

В 1920–1930‐е годы подобные приборы требовались практически везде – в лодках, чтобы следить за качкой, в автопилотах самолетов, в различном оружии. Инженеры-гироскописты были нарасхват. Среди факторов, что подстегивали исследования в этой области, космос был даже не на первом месте. Но именно ракетные полеты поставили новые и необычные задачи. Гироскопы должны были стать легче, надежнее, точнее, должны были фиксировать повороты во все стороны. Чтобы оценить важность и сложность задачи, представьте, что в знаменитом Совете Главных (шестерке конструкторов – отцов космонавтики) сразу двое, Николай Пилюгин и Виктор Кузнецов, отвечали за гироскопические приборы. Их труды имели огромное значение – новые системы и математические теории позволили создать высокоточную систему управления. Исследования не прекращаются и сейчас. Появились новые, именно космические гироскопы: трехстепенные, способные фиксировать повороты в трех плоскостях; и поплавковые, погруженные в вязкую жидкость, что позволяет снизить негативное влияние давления, трения, перепада температур и повысить надежность.

Гироскоп для ракеты-носителя

В 1990‐х годах появляются лазерные гироскопы, которые могут с помощью луча света определять поворот на сотни долей угловой секунды. При этом прибор помещается в ладони.

В 2000‐х годах появляются пьезогироскопы и микроэлектронные гироскопы в смартфоне. За поворот экрана и работу многих приложений отвечают именно они. Очень популярные сейчас квадрокоптеры без гироскопа не летают в принципе – аппарат сразу кренится, разворачивается и в итоге разбивается. Электроскутеры используют гироскопы еще и как элемент управления. Строительные краны и дорожно-укладочные механизмы тоже должны знать, как наклонились их рабочие элементы. В роботах может быть до сотни гироскопов, ведь каждой металлической руке или ноге, а также шее, спине, голове нужно передавать информацию о положении. Вы видели роботов-собак, которых толкают и пинают, а они твердо стоят? По сути, любое механическое или электронное устройство, способное поворачиваться или вращаться, имеет внутри гироскоп.

Автоматической системе управления требуется не только знать, как повернулся космический аппарат, но и рассчитать, как нужно вращаться. Однако если вычислять углы классическими тригонометрическими формулами из средней школы, могут возникнуть ошибки. Например, известная задача про охотника, который прошел на юг, на запад и на север одно расстояние и оказался в стартовой точке. Это возможно только на полюсе. Также при нескольких оборотах вокруг разных осей может потеряться 180° или число Пи. Кроме того, у гироскопов есть физическая проблема – так называемое складывание рамок. Спутник может так повернуться вокруг одной оси, что остальные оси совпадут, и из-за этого потеряется возможность верной ориентации.

Для решения этой проблемы в космонавтике математики начали использовать особые числа – кватернионы. Их придумали еще в XVIII веке, но тогда кватернионы не получили применения и обсуждались математиками как нечто абстрактное. Это гиперкомплексные числа, которые записываются как q = a + bi + cj + dk, где a, b, c, d – вещественные числа, а i, j, k – мнимые единицы, то есть числа, чьи квадраты равны минус единице (i2 = –1, j2 = –1, k2 = –1). При возведении одного из компонентов i, j, k в квадрат получится вещественная часть. Но при перемножении двух разных, например i и j, это не получится. По сути, кватернионы – это числа в трехмерном пространстве, где каждому пространству соответствует по мнимой компоненте.

В 1970–1980‐х годах, когда космические аппараты стали обращаться вокруг Земли и вращаться вокруг своей оси годами, математики приступили к исследованиям свойств этих чисел с удвоенной силой, чтобы программировать с их помощью системы управления. Благодаря этому стало проще оперировать вращением пространства или вращением космического аппарата в пространстве.

После того как кватернионы хорошо зарекомендовали себя в космических расчетах, их начали использовать в компьютерных 3D-играх, где тоже можно вращаться во все стороны.

Кстати, вычислительные системы небольшого размера – тоже заслуга космонавтики. В 1950‐х годах компьютеры были огромны. Они занимали целые здания и никак не могли поместиться в ракету-носитель. А количество вычислений, которые нужно было проделать мгновенно, пока космический аппарат летит со скоростью 8 км/с, было велико. Человек не смог бы оперативно все рассчитать, и на помощь пришла радиосвязь. Задачи поступали с ракеты-носителя на Землю, обрабатывались ЭВМ, и решение отправлялось на борт.

«Стрела» – первый наземный компьютер, работавший над космическими расчетами. Он умел рассчитывать 100 операций в секунду и имел оперативную память два килобайта. В дальнейшем появились машины второго поколения – «Урал‐1» и БЭСМ, которую ласково называли бэсмочкой. Их оперативная память составляла 32 килобайта, а производительность – 20 000 операций в секунду. Такой рывок, несомненно, стимулировала именно космическая необходимость. В США компания IBM уже давно работала над производительностью компьютеров, но у NASA они появились позднее, зато сразу второго поколения. IBM 7090 выполняла до 100 000 операций в секунду.

Наземные системы продолжали улучшаться. Вместо ламп появлялись транзисторы, а за ними – интегральные схемы и микропроцессоры. Память прошла долгий путь от магнитной проволоки через ленту к ферритным элементам, жестким дискам и т. д. Примерами могут послужить советский компьютер «Орбита», ЕС ЭВМ, М‐20 и американский IBM System/360. Совершенствование продолжается и сейчас, но уже отлично видно, как далеко шагнул прогресс. Характеристики первых компьютеров скромны даже для современных часов.

А в 1950‐х годах такого не было. Приходилось выкручиваться. Для случаев отсутствия связи инженеры разрабатывали оригинальные аналоговые системы. Например, для расчета пройденного расстояния использовалась химическая реакция электролиза – в зависимости от скорости движения увеличивалась подача тока в прибор и менялась скорость химической реакции. Через каждый преодоленный километр в приборе образовывался грамм вещества, и по его количеству определялась дистанция.

Однако хитрости, уловки и наземные компьютеры не помогут, если мы летим на Луну или дальше. Задержка связи между Землей и ее спутником составляет 1,2 секунды, за которые ракета может пролететь от одного до восьми километров. Ошибки непозволительны. Математическое описание движения, когда на космический аппарат действуют и Земля, и Луна, слишком сложно для схожего аналогового варианта. Первыми были попытки рассчитать по долям секунды весь процесс полета и завести все команды на таймер. Более того, некоторые советские автоматические межпланетные станции полностью выполняли все задачи благодаря этому. Выверенность вычислений поражает воображение даже сейчас. Но чем сложнее были задачи, тем понятнее становилось, что компьютер надо брать с собой. Для полета человека на Луну и стали разрабатываться ЭВМ размером не со здание, а хотя бы со стол. И это получилось, но не сразу. В Советском Союзе планировалось запустить автоматическую станцию «Марс‐1960» с новой технологией уже в 1960 году, но не получилось (не по вине ЭВМ). Первый в СССР бортовой компьютер «Аргон 11С» был успешно испытан в программе «Зонд» в 1968 году. С его помощью, кстати, впервые облетели Луну и успешно вернулись животные – две черепашки.

В США инженеры придумывали гораздо меньше аналоговых приборов, и отчасти из-за этого были вторыми в космической гонке, но вот компьютер отправили на орбиту чуть раньше. GSC (Gemini SpaceCraft Computer) побывал в космосе уже в 1965 году. Характеристиками «Аргон 11С» и GSC были схожи: весили 26–34 килограммов и могли производить около 7000 операций в секунду, но памяти хватало только на 39 слов. Оба работали на интегральных схемах.

Через четыре года произошло историческое событие – американцы произвели высадку на Луну. Управлял полетом компьютер AGC (Apollo Guidance Computer). Эта система по производительности была на уровне наземных компьютеров конца 1950‐х. Памяти было по-прежнему мало, поэтому программистам пришлось потрудиться, чтобы придумать последовательности процедур, не отбирающих много памяти. Тем не менее известно как минимум восемь случаев, когда бортовой компьютер сбоил из-за переполнения. На одной знаменитой фотографии запечатлена распечатка всех необходимых инструкций на бумаге – это стопка кода выше человеческого роста.

Маргарет Гамильтон с распечатанным текстом программы для миссии «Аполлон‐11» © Draper Laboratory

Тогда же появляется и первый интерфейс. Система отображения больше похожа на калькулятор, но пока речь идет только о вычислениях. Еще через пять лет первые персональные компьютеры от той же компании, что делала космические системы, появляются в обычных домах.

В дальнейшем в США в пилотируемой космонавтике для программы Space Shuttle использовали компьютер IBM AP‐101S. В космос отправлялся большой космический челнок, и размер вычислительной машины уже не играл заметной роли. В 1988 году для проведения эксперимента впервые применили компьютер, конструкцию которого потом назовут ноутбуком.