Skip to content
 

Каким быть космическому кораблю XXI века? Часть 1.2

Окончание. Начало здесь

Х-20 так и не поднялся в воздух, но уверенность в перспективности космических самолётов от этого не угасла. Работы по ним продолжались, правда, уже не с прицелом на создание конкретной боевой ракетно-космической системы, а в рамках более ограниченных исследовательских программ. По ним в 1960-х – начале 1970-х годов в США был создан целый ряд экспериментальных машин, выполненных по схеме «несущий корпус».

Статья 1, окончание. 1950-е – 1960-е годы. Ракета плюс гиперзвуковой планер

Американские «несущие корпуса»

Фирма «Нортроп» вела работы над аппаратами серии М-2. Первый из них, M-2/F-1 был просто деревянным планером, испытывавшимся в полётах на буксире за транспортником С-47 (военный вариант всемирно известной «Дакоты», Дугласа DC-3, выпускавшейся в СССР под обозначением Ли-2. Великий самолёт, воистину легенда…)

На M-2/F-2 уже устанавливался жидкостный ракетный двигатель тягой 2,7 тонны. Машина весом 2,5 тонны поднималась на высоту 14 км бомбардировщиком В-52 и после сброса совершала полёт с горизонтальной посадкой на аэродром. Это, кстати, иллюстрирует исследовательский статус программы: не думаю, чтобы кто-то решил поставить на боевой космический самолёт ЖРД для атмосферного маневрирования. А вот ради того, чтоб достичь больших гиперзвуков, подобно Х-15, но с новой аэродинамикой — это вполне целесообразно.

M-2/F-3

Первый полёт, планирующий, состоялся 2 июля 1966 года. Включить двигатель в воздухе на M-2/F-2 так и не пришлось, потому что в мае 1967-го, во время очередного такого же полёта, аппарат потерпел аварию при посадке. Выяснить, сможет ли он достичь расчётных 24 400 м высоты и 2200 км/ч скорости, так и не удалось, так как предпочли построить следующий образец – M-2/F-3.

Этому повезло больше. В 1970–1972 годах он совершил 43 полёта, в ходе которых были достигнуты показатели: скорость М = 1,6 и потолок 21 800 м. Длина аппарата составляла 6,8 м, максимальный диаметр – 2,9 м, полная масса 3,6 тонны. Двигатель на M-2/F-3 стоял тот же, что и на его предшественнике – ЖРД XLR-11 с тягой 2700 кг.

Параллельно тот же «Нортроп» построил и испытывал другой «несущий корпус» – HL-10 (HL – Horizontal Lander, «садящийся горизонтально». Он несколько отличался от М-2 – имел вертикальный стабилизатор в дополнение к поднятым законцовкам маленького крыла (М-2 обходился только законцовками); кабина пилота была сдвинута до предела в носовую часть, которая, в свою очередь, вместе со всей нижней поверхностью фюзеляжа, заметно отличалась от форм М-2. По габаритам «Лэндер» не сильно разнился с М-2, но вследствие другой формы своего несущего корпуса имел максимальный диаметр последнего 4,6 м.

HL-10_2.jpg
HL-10

HL-10 начал испытываться одновременно с полётами аппаратов серии М-2, и даже раньше, чем M-2/F-3. В течение 1970–1972 годов провели 37 полётов, при этом результаты были достигнуты более высокие, чем у «собрата»: высота 27 700 м, скорость М = 1,87.

Обе программы шли под эгидой НАСА, и обе были примерно в одно и то же время закрыты в связи с сокращением финансирования. Оно и понятно: в 1972 году отделение «Спейс Дивижн» компании «Норт Америкен Рокуэл» получило шестилетний контракт суммой 2,6 млрд долларов на разработку – в качестве головной организации – космической транспортной системы «Спейс Шаттл»…

Последним из летавших в «дошаттловскую» эпоху американских ракетопланов стал Х-24, работы по которому велись под контролем ВВС в соответствии с их программой «START» – Spacecraft Technology and Advanced Reentry Program. Лидером программы удалось стать фирме «Мартин Мариетта», которая предложила свой проект SV-5 – космическое такси для маршрута Земля – орбитальная станция – Земля.

В 1960-х годах американское космическое руководство очень увлекалось идеей долговременной космической станции. И задачи перед разработчиками перспективных средств доставки ставились совершенно такие же, как сегодня, в эпоху Международной космической станции: смена экипажей, снабжение, спасение. Специфика «будней холодной войны» добавляла ещё одну – «инспекцию» космических объектов противника. А вот разведка и бомбардировка наземных целей, в отличие от программы «Дайна Сор», цели которой формулировались в 1950-х, практически более не декларировались. Видимо, пришли к выводу, что с такой работой достаточно хорошо справятся соответственно разведывательные спутники и баллистические ракеты всех видов базирования.

SV-5 тоже был «несущим корпусом» со сферической носовой оконечностью и тремя вертикальными стабилизаторами – в центре на фюзеляже и на концах крыла малого удлинения. В термозащите предусматривалось местное применение абляционных покрытий. Кроме обычных аэродинамических вертикальных рулей и щитков-элевонов, в управлении задействовались реактивные рулевые сопла.

Нельзя сказать, чтобы «хозяин» программы – Военно-воздушные силы США – ограничивали себя лишь её исследовательским назначением. В перспективе виделась система с самолётом-носителем, каким-то разгонным блоком и орбитальным самолётом на базе SV-5. После выполнения задания в космосе ВКС должен был тормозиться с аэродинамическим качеством 1,2–1,4 на гиперзвуковой скорости, затем маневрировать на планировании со скоростью М = 2 при аэродинамическом качестве 3,1–3,5, а затем приземляться со скоростью 260–390 км/ч.

После нескольких суборбитальных запусков небольших моделей в воздух ушёл вариант SV-5P, получивший «насовский» индекс Х-24А. Длина – 7,46 м, полный диаметр – 4,19 м, высота 3,14 м, масса 4990 кг (по другим данным, 5352 кг), тяга ЖРД – 3845 кг. В 28 полётах с подвески В-52, проведённых с апреля 1969 года по июнь 1971-го, удалось достичь максимальной скорости М = 1,6 и высоты 21 800 м.

X-24A.jpg
X-24A

С учётом данных, полученных на Х-24А, был построен аппарат Х-24В, основным внешним отличием которого стала длинная заострённая носовая часть. Х-24В был более похож на самолёт, чем его прямой предшественник и машины серии М-2, которые напоминают скорее сплющенную каплю с отростками вертикальных килей. Определить, где у них кончается фюзеляж и начинается крыло, почти невозможно. За это их и называют «несущими корпусами», и для характеристики их поперечного размера используют понятие «максимальный», или «полный» диаметр. В случае же Х-24В можно говорить об обыкновенном «размахе крыла».

X-24B.jpg
X-24B

Эта машина рассматривалась как прототип двух летательных аппаратов. Один из них – гиперзвуковой самолёт с воздушно-реактивными двигателями, способный летать в плотных слоях атмосферы с числом М = 8–12 (всё же бомбардировщик будущего?); другой – высокоманёвренный планер для транспортных операций между Землёй и орбитальной станцией.

Х-24В был заметно больше, чем Х-24А – длина 11,53 м, размах 5,84 м, полётная масса 6258 кг (по другим данным, 5897 кг), высота 2,16 м. Крыло имело двойную стреловидность по передней кромке (72 / 78), ЖРД развивал 4444 кг тяги. В целом аэродинамика и силовая установка Х-24В могли обеспечить полёты со скоростями порядка М = 4-5, но конкретный изготовленный экземпляр аппарата был обшит алюминием, что, по соображениям кинетического нагрева, не позволяло выходить и на М = 2.

Конечно, можно было сделать следующий экземпляр с подобающей обшивкой. Но к моменту начала испытаний Х-24 выбор был уже практически сделан: президент Никсон решил отказаться от развёртывания обитаемой орбитальной станции, сосредоточив усилия на программе большого многоразового транспортного корабля. В бюджете НАСА на 1974/75 финансовый год на эту тему выделялось 797,5 млн долларов – вчетверо больше, чем двумя годами раньше, когда Х-24В начинал летать (первый полёт – 1 августа 1973 года)…

Так что по Х-24В даже не была закончена программа исследований первого экземпляра. Соответственно, отложен был и проект космической системы вертикального старта, в которой Х-24 должен был выводиться на орбиту носителем «Титан» III.

Свою последнюю посадку Х-24В совершил 26 ноября 1975 года; всего состоялось 64 полёта, достигнута скорость М = 1,76 и высота 22 400 м.

* * *

Советские проекты вертикального старта

Как можно видеть, работы по малым космопланам с выводом на одноразовых носителях велись в США «вполне всерьёз». В СССР они тоже велись, хотя и с намного меньшим размахом.

Как уже говорилось, Королёв для спуска с орбиты поначалу отдавал предпочтение идее маневрирующего аппарата, располагающего относительно высоким аэродинамическим качеством. Этой проблематикой занималось одно из подразделений его собственного КБ; кроме того, он инициировал исследовательские проработки по таким аппаратам в конструкторских бюро Владимира Мясищева и Павла Цыбина. Результаты, полученные при расчётах по этим темам, и привели Королёва к выводу о том, что сложностей здесь значительно больше, чем казалось на первый взгляд. И, поскольку времени и сил на преодоление этих сложностей в условиях соревнования с США не было, Гагарин возвращался с орбиты в спускаемом аппарате, имеющем форму правильного шара.

Тем не менее, работы по космопланам, выводимым на орбиту традиционными ракетами-носителями, продолжались. С определённого момента они стали рассматриваться как «симметричный ответ» на программу «Дайна Сор». Был у нас ещё и «несимметричный», значительно дальше продвинувшийся по пути воплощения в металл; но логика изложения вынуждает поговорить о нем позже.

Павел Цыбин проектировал очень интересную конструкцию, которую Королёв называл «Лапоток». В соответствии с эскизным проектом 1959 года, аппарат должен был иметь несущий корпус характерной формы и складывающееся крыло. На больших высотах торможение и ограниченное маневрирование осуществлялось за счёт аэродинамики корпуса, а на 20 км высоты раскладывались крылья. Особенностью проекта был металлический теплозащитный экран, монтируемый на расстоянии 100 мм от дна фюзеляжа.

Мясищев с 1958 года разрабатывал маленький исследовательский аппарат М-46, который предназначался для использования с королёвской Р-7. Позже, после того, как в состав его КБ вошел коллектив Цыбина, был предложен проект уже более крупного космоплана М-48 в версиях 1959 и 1960 года, сильно отличавшихся друг от друга. М-48 должен был выводить полезный груз до 700 кг на орбиту высотой до 500 км. Носитель – всё та же Р-7, ничего другого у нас тогда не было. Управляемый спуск начинался с высоты 40 км, при этом достигалась величина бокового маневра 100 км.

Задача создания ракетоплана – в 1950-е годы у нас это был официальный термин – вдохновила и патриарха отечественной авиации Андрея Николаевича Туполева. С 1957 года в его КБ велись работы по теме «Звезда». Аппарат назывался Ту-136, основой для его проектирования стал опыт, полученный при разработке беспилотного гиперзвукового планера Ту-130. Последний фактически был головной частью боевой баллистической ракеты. Благодаря тому, что его клиновидный фюзеляж и небольшое крыло обеспечивали создание подъёмной силы, он позволял резко увеличить дальность стрельбы всей ракетной системы по сравнению с обычными ГЧ баллистического падения. При этом Ту-130 рассчитывался на скорость М = 10, что было уже приближением к области скоростей воздушно-космического самолёта.

Tu-136.jpg
Макет Ту-136

Туполевская программа отличалась хорошей продуманностью, четким поэтапным планом – от твердотопливных моделей со скоростями до 2,5 км/с до одновиткового космоплана с почти космической скоростью 7,92 км/с.

Наконец, в 1960 году в тему вошёл Владимир Челомей, чья организация к тому времени обогатилась коллективами Мясищева и Цыбина. Он тоже «расписал» многоэтапную программу «нашего ответа «Дайна Сору». В плане были маневрирующие спутники для разведки и инспекции космических объектов противника. Поначалу это были конические гиперзвуковые капсулы с аэродинамическими поверхностями для управления на атмосферном участке спуска. В 1963 году, когда в его КБ был сделан проект мощного носителя УР-500 («Протон»), эта линейка пополнилась крылатым космопланом. Проекты Челомея подразумевали наличие собственных двигателей для маневрирования в космосе и схода с орбиты, а также оружия «космос-космос».

R-2.jpg
Проект Челомея

Все отечественные проекты ракетопланов того периода остались на бумаге, за исключением первых прототипов Челомея. В 1961 году ушёл в космос на ракете Р-12 конус весом 1,75 т с восемью аэродинамическими щитками. Ему удалось на собственных двигателях достичь высоты 405 км, начиная с тех 200 км, куда его доставил носитель. Он совершил посадку на парашюте, но оказался повреждённым при входе в атмосферу. Через два года был испытан похожий аппарат, только с числом щитков, уменьшенным до четырёх.

В следующем году Челомей показал командованию ВВС проекты ракетопланов со складным крылом – беспилотного 6,3-тонного Р-1 и пилотируемого 8-тонного Р-2. Но в том же году был снят со своих должностей Н.С. Хрущев, и крылатым орбитерам Челомея пришлось, как и всем, уже упомянутым выше, остаться на бумаге…

* * *

Частное резюме №1

Ни один из описанных крылатых аппаратов так и не вышел на орбиту; летавшим американским прообразам не удалось достичь и двух «махов», из советских вообще ни один не был изготовлен даже в виде прообраза. Однако нельзя сказать, что все эти программы и проекты были пустой тратой сил и денег. Все они, и те, которые были прекращены на стадии расчётов и модельных экспериментов, и те, для которых понадобились лётчики-испытатели, – все они в большей или меньшей степени дали материал, определённо полезный для будущего.

В этой статье я намеренно рассматривал только один вариант космических систем – те, в которых интересующая нас многоразовая аэродинамическая орбитальная ступень выводится в космос классической ракетой-носителем. А сама эта ступень представляет собой фактически гиперзвуковой планер – аппарат, способный развивать аэродинамическую подъёмную силу и не имеющей «главной», маршевой двигательной установки.

При всей несомненной сложности, при разработке такого аппарата не приходится решать одну из фундаментальных задач космического полёта – задачу достижения орбитальной скорости. Это делает ракета-носитель при выведении. Говоря в высшей степени условно, конструктору остается «сделать полдела» – погасить эту скорость при спуске с орбиты. Неудивительно, что среди всех мыслимых вариантов многоразовой космической системы именно такой – ракета плюс космоплан – был выбран для первых попыток практической реализации и в США, и в СССР.

Основной проблемой, которую необходимо решить в этом случае, является проблема кинетического нагрева конструкции. Есть, конечно, и другие, от устойчивости и управляемости до обеспечения работы радиосредств, но эта – самая острая и, как правило, наименее знакомая конструктору-«самолётчику».

В принципе противостоять нагреву аппарата из-за трения о воздух на больших скоростях можно двумя путями. Надо, (1) насколько возможно, ограничить этот разогрев, а дальше (2) защищать конструкцию от того, что осталось после ограничения.

Задача ограничения кинетического нагрева, в свою очередь, решается несколькими способами. Один из основных – выбор наилучших с этой точки зрения режимов полёта: дальности и времени планирования, высотно-скоростного профиля, углов атаки, перегрузок. Здесь, как и везде в технике, идет многотрудный поиск компромисса. Если увеличить угол атаки, торможение пройдет быстрее, но температура потока при этом будет в общем случае выше. Пологая траектория спуска может уменьшить интенсивность торможения и, соответственно, нагрев за единицу времени, но само время «прогревания» будет больше.

Другим способом является оптимизация формы аппарата – разумеется, настолько, насколько это допускает аэродинамика. Здесь первичны всё же заданные характеристики аэродинамического качества, устойчивости и управляемости на всех режимах и т.п. – иначе космоплан просто не сможет нормально летать. Но внутри этих пределов можно менять взаиморасположение частей, оформление стыков и кромок, очертания поверхностей и объёмов…

Один из «ходов» на этом пути, притом довольно решительный, сделал Павел Цыбин в своём «Лапотке», а если официально, в проекте ПКА – планирующий космический аппарат. Речь идёт о консолях крыла, которые при входе в плотные слои, когда скорость наиболее высока, находятся в сложенном, почти вертикальном, положении.

При гашении огромной скорости в верхних слоях атмосферы корабль принимает очень большой угол атаки, подставляя набегающему потоку всю свою нижнюю поверхность – и фюзеляжа, и крыла. Фиксированное крыло на этом этапе должно принимать на себя все возникающие нагрузки, как механические, так и тепловые (последние возникают из-за того, что кинетическая энергия набегающего потока при его торможении поверхностями аппарата превращается в тепло).

Складывание «убивает сразу несколько зайцев». Во-первых, крыло можно сделать более лёгким, так как ему не приходится воспринимать огромную механическую нагрузку при гиперзвуковом полёте на больших углах атаки. Во-вторых, облегчаются требования к его термозащите, так как в сложенном положении встречный поток практически скользит по его поверхности. Мощный эффект торможения встречного потока возникает только на передних кромках, которые всё равно приходится защищать в любой конструкции сверхскоростного летательного аппарата. Наконец, в-третьих, сложенное крыло в известной степени экранирует боковые поверхности фюзеляжа.

В этой схеме основная часть тепловой нагрузки приходится на днище фюзеляжа, а оно, как мы помним, защищено у Цыбина отдельным теплозащитным экраном, установленным не прямо на конструкцию днища, а с зазором в 100 мм.

Конечно, у этой схемы есть и недостатки, и главный из них состоит в наличии механизма поворота крыла. Масса этого механизма может не только снизить полезный эффект от облегчения конструкции крыла, но и превзойти весь полученный на этом весовой выигрыш. Кроме того, в аппарате появляется ещё один узел, надежность которого критически влияет на безопасность полёта.

Но и такое удачное, казалось бы, решение, как поворот крыла, не всегда бывает верным. При продувках моделей ПКА, проводившихся в ЦАГИ [1], оказалось, что на самом напряжённом участке спуска шарнир поворота крыла находится в зоне, где подвод тепла максимален, а отвод почти полностью отсутствует. Выяснилось также, что тепловые нагрузки на донный экран значительно превосходят расчётные величины, и выбранный материал экрана их не выдержит.

Тогда же было установлено, что допуски на возможное пространственное положение аппарата при планирующем спуске должны быть крайне жёсткими. В том, что удастся обеспечить необходимую точность ориентации при помощи существовавших тогда приборов, уверенности не было. Исследования моделей ПКА сыграли немалую роль в «развороте» Королёва в сторону баллистического спускаемого аппарата…

Не следует, однако, думать, что суть всего, что было достигнуто, сводится к выявлению сложностей и примерной оценке их масштаба. В работах по первому поколению ракетопланов были получены многочисленные результаты позитивного характера. Причём они появляются уже на ранних стадиях разработки, когда уточняются возможные сценарии полёта, просчитываются необходимые величины аэродинамических коэффициентов, делаются первые анализы возможных форм аппарата и его частей, первые наброски узлов конструкции.

Американцы, чьи финансовые ресурсы и амбиции позволили провести не только разработки, но и лётные эксперименты на прототипах, несомненно, получили огромный объём данных для всех своих последующих разработок, в том числе и тех, которые проводятся в наши дни. Кроме того, уже в ходе первой большой программы – «Дайна Сор» – было разработано множество материалов для работы в горячей окружающей среде. Здесь были и те, что сохраняют прочность при нагреве до многих сотен градусов – такие, как сплавы молибдена, – и те, которые обеспечивают термоизоляцию при температурах в тысячи градусов – армированный графит, ниобиевая металлокерамика, стекловолоконный войлок. Некоторые из них нашли широкое применение в самых разных областях техники. Была даже разработана теплозащита типа «водяной стенки», которая использовала скрытую теплоту испарения для рассеивания тепла между внутренними и внешними оболочками; правда от неё отказались.

Термозащитное покрытие «Бурана» из пенокерамических плиток на клеевой прослойке тоже «родом» из начала 1960-х – его предложили специалисты КБ Владимира Михайловича Мясищева совместно со специалистами ВИАМа [2] в ходе работ по проекту изделия М-48. Они разработали и способ установки этих плиток, отличающихся большой хрупкостью, в виде жёстких плат, включенных в конструкцию крыла (иначе при деформациях последнего плитки разрушались). Так впоследствии было сделано и на «Буране», и на шаттлах.

А идея складного крыла Павла Цыбина была вскорости применена на орбитальной ступени воздушно-космической системы «Спираль». Работам по этой трёхступенчатой системе с гиперзвуковым самолётом-разгонщиком суждено было продвинуться значительно дальше, чем любому из советских проектов, описанных здесь…

[1]ЦАГИ – Центральный аэрогидродинамический институт – один из главных научно-исследовательских, экспериментальных и расчётных центров авиакосмической отрасли СССР и Российской Федерации.

[2]ВИАМ – Всесоюзный институт авиационного материаловедения

Следующая статья серии

Ещё о космосе:

Прошло 30 лет, и нам опять хочется на Луну

Трудности и надежды «космического каботажа»

И снова здравствуйте

Мои поздравления Европейскому космическому агентству!

Просто помечтать, или кто кого обманет?

Кто кого обманет, вторая серия

В 90-е годы мы тоже создавали новую космическую технику

Ракета на заднем дворе

Полетел шестой турист, и вообще всё в порядке

Три романтики Байконура

Написать отзыв

CAPTCHA изображение
*