Skip to content
 

Каким быть космическому кораблю XXI века? Часть 3.1

Предыдущая статья серии

Первая статья серии

Первым осуществив космические полёты, как беспилотных спутников, так и пилотируемых кораблей, Советский Союз не смог вести столь же масштабные практические работы по аппаратам, способным выполнять маневрирующий гиперзвуковой полёт в атмосфере. Ничего, подобного американской программе ракетоплана Х-15, у нас реализовано не было. Но у нас была «Спираль»; аналог её орбитальной ступени испытывался в дозвуковых полётах, почти догнав в этом деле «летающие корпуса» НАСА. А некоторая часть наследия этой темы, в частности, многолетние работы ЦИАМа по водородному двигателю для самолёта-разгонщика, ещё очень может быть востребована при создании авиационных и космических систем будущего.

Ведь знающие люди говорят, что наши учёные и разработчики уже преодолели все проблемы, стоящие на пути создания «шестимахового» воздушно-реактивного двигателя…

Статья 3. «Спираль» и сын её, ЭПОС

Первые подступы к атмосферному разгонщику

В печати встречаются сведения, что ещё до Микояна с Лозино-Лозинским комплекс, похожий на «Спираль», проектировал Андрей Николаевич Туполев в рамках темы «Звезда». Напомним, «Звезда» – это трёхзвенная воздушно-космическая система, она уже упоминалась в этой серии. В состав системы входили сверхзвуковой тяжёлый самолёт-разгонщик, баллистическая ракета воздушного базирования и ракетоплан в качестве головной части последней.

Ракетоплан в этой системе назывался Ту-136; ракета воздушного базирования – просто баллистическая ракета, способная стартовать с самолёта в воздухе. А вот про самолёт-разгонщик сейчас стоит сказать немного больше. Точнее говоря, не про разгонную ступень из проекта «Звезда» – судя по имеющейся информации, работы над ней не проводились в сколько-нибудь значительном масштабе – а про бомбардировщик Ту-135, предполагавшийся в качестве прообраза этой ступени.

Исследовательские работы по тяжёлому сверхзвуковому Ту-135 начались в 1958 году. Имелось в виду создать самолёт, который сможет заменить новейший по тому времени сверхзвуковой бомбардировщик «евростратегического» класса Ту-22. Заменить, существенно превзойдя по всем показателям. Машина должна была выполнять ударные и разведывательные задачи, причем для вооружения ударной модификации просматривалось, в числе других вариантов, и размещение на борту баллистической ракеты воздушного старта.

Один из вариантов Ту-135

Работы велись до 1963 года. После продувок 14 компоновочных моделей была выбрана схема «утка» с треугольным крылом переменной по размаху стреловидности и двумя мотогондолами, по два двигателя в каждой. Двигатели – 4 турбовентиляторных НК-6М, дававших, по сравнению с другими, прибавку в дальности от 10 до 40% – в зависимости от высотно-скоростного профиля полёта.

Получилась машина взлётной массой 160–200 т, длиной 50,7 м, высотой 10,7 м и с размахом крыла 34,8 м. Расчётная нормальная дальность на крейсерском сверхзвуковом режиме (скорость 2650 км/ч, или М = 2,5) – 8000 км, максимальная – 10 000 км. Предельную скорость, для того, чтобы сохранить возможность применения освоенных конструкционных материалов, при проектировании ограничили величиной 3000 км/ч (число М = 2,82).

Следует заметить, что в различных источниках можно найти разные значения тактико-технических характеристик Ту-135. Например, по другому варианту все четыре двигателя были сблокированы в один пакет под крылом в задней части машины. Для геометрических размеров встречаются цифры: длина 44,8 м, размах крыла 28,0 м, высота 10,0 м. Эти разночтения неудивительны, так как развитие проекта было остановлено раньше, чем сложились окончательные представления о том облике конструкции, который предстояло воплотить в «железо» первого опытного образца.

Тогда же, на рубеже 1950-х–1960-х годов, схожую по характеристикам машину – М-56 – разрабатывали в КБ В.М.Мясищева. Исследования вариантов были доведены до такой стадии, что сочли возможным построить – и построили – полноразмерный макет самолёта. Аппарат, «портретом» которого являлся макет, имел максимальную взлётную массу 250 т, шесть двигателей с тягой каждого на форсаже 17 500 кг и должен был достигать скоростей, соответствующих числу М = 2,5–3,25.

М-56

Интересно, что существует рисунок 1963 года, изображающий «составной самолёт», в котором нижняя ступень, соответствующая одному из вариантов М-56, несёт установленный сверху небольшой летательный аппарат с треугольным крылом. Последний имеет остекление кабины и бортовые иллюминаторы – значит, перед нами пилотируемый самолёт. Это показывает, что Владимир Михайлович Мясищев думал как минимум о гиперзвуковой транспортной системе с очень большой дальностью. А может быть, и о чём-то большем.

Как бы то ни было, и Ту-135, и М-56 разрабатывались по техническим заданиям на скоростные бомбардировщики-ракетоносцы и не могли непосредственно стать первой ступенью космической системы горизонтального старта. Хотя бы потому, что для них были заданы относительно небольшие значения полезной нагрузки: для Ту-135 не менее 4 т, для М-56 – в пределах 5–9 т. «Поместить» в эту массу возвращаемый крылатый маневрирующий модуль и любого вида двигательную установку для разгона от М = 3 до орбитальной скорости не представлялось возможным.

Работы по Ту-135 были прекращены в первой половине 1960-х годов в связи с «всеобщей ракетизацией» стратегических ударных сил. Вскоре концепция высотного скоростного бомбардировщика уступила место концепции двухрежимного стратегического самолёта, и Андрей Николаевич занялся тем, что впоследствии стало известно под наименованием Ту-160, а также «Блэк Джек».

Ещё раньше, в 1960-м, был «закрыт» М-56: мясищевское ОКБ-23 вошло в состав организации В.Н.Челомея, а там были свои приоритеты и свои лидеры…

Идея же трёхэлементной орбитальной системы с авиационным носителем получила продолжение в работах другого конструкторского коллектива.

«Спираль»: постановка задачи и общий облик

Официальной датой начала темы «Спираль», или, по-другому, «50», можно считать 30 июля 1965 года, когда приказом министра авиационной промышленности работы по ней были поручены конструкторскому бюро Артёма Ивановича Микояна. В инициативном же порядке исследования по ВКСам велись в этом КБ, по некоторым данным, ещё с 1962 года.

Система рассматривалась как ответ на американскую программу «Дайна Сор». Её орбитальная ступень (ОС) – одноместный космоплан – должна была выполнять функции разведки, инспектирования космических объектов противника и, в случае надобности, их уничтожения, а также нанесения ударов по наземной цели ракетой класса «космос – Земля». Вторым элементом системы был гиперзвуковой самолёт-разгонщик (ГСР), и это кардинально отличает «Спираль» от американских «космических истребителей» Х-20, М-2/F-3 и Х-24, которые должны стартовать с космодрома на баллистических одноразовых носителях.

Тактические требования к «Спирали» были довольно высоки. Высота опорной орбиты равнялась 130–150 км при наклонениях 45–135°, при этом запас топлива для двигателей орбитального маневрирования должен был позволять изменять наклонение орбиты на величину до 17°, или увеличивать высоту орбиты до 1000 км с изменением наклонения до 12°. Величина полезного груза, доставляемого в космос, колебалась от 0,7 до 2 т в зависимости от задания на конкретный полёт.

Под эту работу в 1967 году в Дубне был основан «космический» филиал конструкторского бюро А.И. Микояна. Главным конструктором «Спирали» был назначен Глеб Евгеньевич Лозино-Лозинский, обретший позже всемирную известность в качестве Главного конструктора многоразового транспортного корабля «Буран». В июне 1966 года он уже подписал аванпроект системы.

Строго говоря, «Спираль» представляла собой трёхэлементную систему, к тому же не полностью многоразовую. ОС («изделие 50»/изд.105) не имела разгонного двигателя, и с высоты отделения от ГСРа до орбиты её должен был доставить ракетный ускоритель. Спасение и повторное использование этого ускорителя не предусматривалось. Видимо, это было следствием разумного конструкторского компромисса, который должен был привести к достижению поставленной цели без чрезмерного увеличения технической сложности проекта.

Космоплан и расположенный сзади него ускоритель устанавливались на верхней поверхности разгонщика. Для обеспечения гиперзвуковой аэродинамики эта поверхность была спрофилирована таким образом, что связка ОС-ускоритель оказывалась частично утопленной в фюзеляж разгонщика. Кроме того, спереди и сзади устанавливались аэродинамические обтекатели. Общий вес системы составлял 115 тонн.

Орбитальная ступень – космический планер

Орбитальная ступень проектировалась как «несущий корпус» с небольшим низкорасположенным стреловидным (55°) крылом, длиной фюзеляжа 8 м, шириной по размаху 7,4 м, с одним килем и четырёхопорным убирающимся лыжным шасси с широко расставленными «ногами». При прохождении верхних слоёв атмосферы консоли крыла складывались вверх к бортам фюзеляжа, что, с одной стороны, уменьшало тепловые нагрузки на них при прохождении участка плазмообразования, а с другой – обеспечивало защиту боковых поверхностей фюзеляжа.

Такое решение позволило ограничить специальную конструктивную термозащиту одним только донным экраном. В ходе теплопрочностных испытаний было установлено, что максимальная температура в зонах наивысшего разогрева не должна была превысить 1500°С. Поэтому экран можно было делать конструктивно относительно простым, хотя и из специального сплава, главным качеством которого должна быть термопрочность при высокой пластичности. Такие сплавы ещё только разрабатывались, так что пришлось временно ограничиться имевшейся в распоряжении жаропрочной сталью. Это усложнило конструкцию, так как сталь, выдерживая требуемую температуру, нужной пластичности как раз не обеспечивала. В результате экран получился собранным из множества отдельных пластин, закреплённых внахлёст, наподобие рыбьей чешуи; внутренняя его поверхность покрывалась термоизолирующим материалом. Экран устанавливался на свободно ориентирующихся керамических опорах, и всё это в совокупности привело к тому, что аппарат был способен сохранять исходную аэродинамическую форму, которая иначе критически искажалась бы мощными тепловыми деформациями.

Управление обеспечивалось элевонами на крыле, рулём направления на киле и балансировочными щитками на верхней поверхности хвостовой части. Единственный член экипажа управлял этими поверхностями по-самолётному – при помощи ручки и педалей.

Кабина лётчика и отсек оборудования, в интересах спасения при авариях на больших высотах и скоростях, выполнялись в виде единой фарообразной сбрасываемой капсулы. Эта капсула имела свои тормозные двигатели, что должно было обеспечить возможность покидания неисправного аппарата даже на орбите. В менее экстремальных условиях, ближе к земле, лётчик мог по-обычному катапультироваться из кабины.

Двигательная установка ракетоплана получилась сложной. Для орбитального маневрирования и схода с орбиты предназначался основной ЖРД тягой 1500 кг и два аварийных тягой по 40 кг. Управление угловым положением в космосе обеспечивалось двигателями малой тяги: 6 по 16 кг и 10 (по другим данным, 5) по 1 кг. Все ЖРД работали на обычном топливе отечественных боевых ракет того времени: несимметричный диметилгидразин плюс азотный тетраксид.

В отличие от большинства американских проектов малых ракетопланов, на орбитальной ступени «Спирали» предусматривался турбореактивный двигатель для дозвукового крейсерского полёта в атмосфере. Это был освоенный промышленностью РД-36-35К тягой 2350 кг и весом всего 176 кг. Такое необычно высокое для ТРД соотношение тяги к собственному весу объясняется специфическим назначением РД-36-35К – он создавался как подъёмный двигатель для палубного истребителя вертикального взлёта Як-38. К нему поэтому предъявлялись значительно меньшие требования по ресурсу, чем к «обычному» двигателю для многочасового маршевого полёта. Это и позволило в значительной мере облегчить конструкцию.

Ракетоплану системы «Спираль» тоже не нужен был двигатель с гарантированной наработкой в тысячи часов, а вот малый вес был очень кстати. Обтекатель ТРД выполнялся в виде объёмного наплыва под килем, воздухозаборник располагался в передней верхней части наплыва и в нерабочем состоянии закрывался створкой.

Суммарный вес груза, доставляемого на орбиту и включавшего целевую нагрузку и топливо для силовой установки, составлял до 4900 кг; стартовый вес орбитальной ступени – 10 300 кг. При планирующем спуске аэродинамические свойства ракетоплана обеспечивали дальность бокового манёвра  600–800 км. При другом варианте траектории снижения (мы ещё вернемся к этому ниже) можно было получить ещё более впечатляющие значения этого параметра. По расчётам, аппарат имел возможность садиться даже на грунтовые аэродромы II класса при посадочной скорости 250 км/ч.

Гиперзвуковой самолёт-разгонщик

Одноразовый ускоритель представлял собой двухступенчатую ракету. Стартовая масса первой ступени составляла 36 525 кг, время её работы – 140,8 с; для второй ступени – 15 975 кг и 246,4 с соответственно. Разделение ступеней ускорителя должно было происходить при скорости 4500 м/с. Каждая из ступеней должна была иметь по одному ЖРД с тягой по 100 т. Иногда встречается утверждение, что ЖРД должны были работать на кислороде и керосине, иногда – на кислороде и водороде. Некоторые источники включают оба эти варианта в качестве этапов эволюционного развития системы; такие этапы, как мы увидим, предусматривались и для гиперзвукового самолёта-разгонщика.

Вообще, публикуемые данные по ускорителю относительно скудны – может быть, потому, что он представлял собой наименее инновационный элемент «Спирали», а может быть, потому, что работы по нему не продвинулись в реальности сколько-нибудь далеко. Мне даже не удалось найти информацию о том, как мыслилось им управлять – из кабины орбитальной ступени или при помощи отдельной автоматической программной системы в составе самой ракеты. Наиболее вероятным, однако, представляется второй вариант.

А вот работы по созданию гиперзвукового разгонщика («изделие 50-50»/изд.205) описаны в доступных источниках довольно подробно, и они представляют несомненный интерес – в том числе и потому, что в некоторых своих направлениях они продолжаются до сих пор. Важно также и то, что это была, по-видимому, первая серьёзная попытка создания специального аппарата для использования в качестве атмосферной ступени космической системы, а не планы адаптации какой-либо машины, первоначально проектировавшейся для других целей.

Довольно быстро определились два варианта ГСРа – консервативный и перспективный. Первый подразумевал установку четырёх привычных «керосиновых» турбореактивных двигателей, достижение скорости М = 4 и разделение со связкой ОС-ускоритель на высоте 22–24 км. Для перспективного варианта надо было разработать авангардные (не только в то время, но и сейчас) ТРД на жидком водороде; тогда скорость разделения должна была достичь числа М = 6, а высота – 28–30 км.

Планер разгонщика в обоих вариантах был одинаковым: низкоплан-бесхвостка длиной 38 м, с треугольным крылом двойной стреловидности (похоже на крыло Ту-144) размахом 16,5 м. Вертикальные кили устанавливались на законцовках крыла, управление полётом было только аэродинамическим, для чего имелись элевоны, рули направления на килях и посадочные щитки. Двухместная кабина с катапультными креслами находилась в передней части фюзеляжа.

Двигатели самолёта компоновались в едином пакете под нижней хвостовой частью планера. В общей конструкции силовой установки как целого были заложены две принципиально новых идеи. Во-первых, почти вся лежащая перед ней часть нижней поверхности крыла, на которой происходило торможение и сжатие набегающего потока, являлась, таким образом, элементом интегрированного гиперзвукового воздухозаборника. Во-вторых, все четыре двигателя работали на одно общее сопло внешнего расширения. Если первое решение вскоре было воплощено в металле, в частности, в конструкциях сверхзвуковых лайнеров Ту-144 и «Конкорд», то время практической реализации второго настало совсем недавно. Американцы, например, только в 1990-х годах стали строить опытные образцы прямоточных двигателей с таким соплом, получившие звучное название «линейный аэроспайк». Именно этот тип позволяет сегодня выходить на недостижимые ранее значения числа Маха их экспериментальным гиперзвуковым атмосферным аппаратам – тем, которые продолжают испытываться в качестве наследия закрытой ныне программы создания одноступенчатого космического корабля Х-30.

Окончание статьи 3

Предыдущая 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

3 комментариев

  1. antsnark:

    День добрый, Владимир.
    Представляю волонтёров, которые восстанавливают (реставрируют) выставленный в ЦМ ВВС Монино экспнат — Миг-105.11 ЭПОС
    Вопрос в следующем: может Вы обладаете полезной информацией, которая может помочь в деле восстановления данной машины? (фотографии, чертежи итд). Или знаете людей, каким-либо образом связанных с этим проектом?

    Большое спасибо.

    PS состояние машины на данный момент несколько запущенное. Не так давно маботники музея закрасили «серебрянкой» всю машину, варварски уничтожив всю «техничку». Кабина подверглась расхищению (по слухам, ещё когда стояла в Жуковском, но и в музее над ней «потрудились»…).

    PPS о ходе восстановления можно посмотреть на orbicraft.livejournal.com

  2. master:

    На (1) Я, конечно, в этих работах не участвовал — к концу испытаний Эпоса я как раз ушёл в армию. Да и работал между институтом и армией не в Молнии, а на Лавочкина. А с Молнией контактировал значительно позднее, уже в 1980-х. Так что ничего эксклюзивного по Эпосу у меня нет.
    Но есть пара мыслей, у кого спросить про людей, которые могут иметь то, что нужно. Я попробую.

  3. antsnark:

    спасобо, если что, пишите сразу на e-mail ( anton.snark(тяф)gmail.com

Написать отзыв

CAPTCHA изображение
*