Copyright © 1988 by The New York Times Company. Reprinted by permission.

Быстро совершенствуется техника для постройки новых типов летательных аппаратов: теоретически их двигатели будут частично использовать атмосферные газы кроме взятого на борт горючего. Новая космическая техника позволит достигать невероятно высоких скоростей и совершать сложные маневры, например, быстро входить и выходить из атмосферы планеты, а не просто погружаться в нее в неуправляемом спуске.

Трудность заключается в получении реальной летной информации. Сегодня испытания смелых конструкций базируются по существу на изобретении XIX века — аэродинамической трубе, которой пользовались еще братья Райт, строя аэроплан с двигателем внутреннего сгорания.

— Мы вышли за пределы возможностей большей части нашего наземного испытательного оборудования, — говорит Уильям Скаллион, сотрудник научно-исследовательского центра НАСА им. Лэнгли в Хемптоне, штат Вирджиния.

Поэтому ВВС США, НАСА и многие университеты занялись поисками широкого спектра новых способов имитации ошеломляющих скоростей, температур, напряжений и вибраций, которые будут сопутствовать космоплаванию будущего.

Одно из направлений в этой работе — создание усовершенствованных аэродинамических труб, наземных испытательных установок совершенно нового класса, рассчитанных на получение данных для более высоких имитированных скоростей. Другие методы испытаний основываются на ракетах для запуска в атмосферу Земли маломасштабных моделей и на выводе на орбиту миниатюрных моделей с космических кораблей «шаттл». По мнению специалистов, реализация этих проектов обойдется в миллиарды долларов.

— Ни одна испытательная установка не даст возможности проверить все, что нужно, — говорит консультант НАСА Симор Богдонофф. — Перед нами обширные непознанные области, которые еще предстоит исследовать.

Потребность в более совершенном испытательном оборудовании возникает из-за сложности космических летательных аппаратов и сложности их миссий. Это будут уже не простые аппараты, проходящие сквозь атмосферу планет, типа космических капсул «Меркурий» или «Аполлон». Новые космические корабли, подобно космическим челнокам «шаттл», будут обладать все более сложными аэродинамическими характеристиками, которые повысят их маневренность и экономичность.

Наиболее неотложные задачи возникли в связи с многомиллиардным федеральным проектом создания космоплана Х-30. В отличие от обычных кораблей, выводимых на орбиту при помощи ракет, и «шаттлов» двигатели космоплана Х-30 будут использовать шугообразный водород и атмосферный кислород. В конце 90-х годов космоплан, возможно, поднимется со взлетно-посадочной полосы и устремится прямо в космос со скоростью 27 000 километров в час, в 25 раз превышающей скорость звука. Существующие аэродинамические трубы позволяют надежно имитировать условия полета только при вдвое меньшей скорости.

Другое серьезное препятствие предстоит преодолеть специалистам НАСА, занятым разработкой маневренного межорбитального летательного аппарата — недорого космического буксировщика, который вместо тяжелых тормозных ракетных двигателей будет использовать трение, создаваемое аппаратом при вхождении в атмосферу Земли. Существующие установки не позволяют имитировать условия такого полета.

Трудные задачи придется решать при проектировании космических зондов, которые будут пролетать через атмосферы Марса, Юпитера и Титана, одного из спутников Сатурна.

Некоторые из предполагаемых условий полета могут быть смоделированы на суперкомпьютерах, способных выполнять миллиарды вычислений в секунду и математически моделировать явления реального мира. Но специалисты считают, что одних суперкомпьютеров недостаточно. По их мнению, насущная задача состоит в открытии и точном описании важнейших физических явлений грядущей эры космических полетов. Тогда можно будет ввести в компьютеры информацию, необходимую для расчетов конструкций нового типа.

Как считают специалисты, необходимо добыть как можно больше данных из результатов испытаний в аэродинамических трубах нынешнего поколения.

— Картина обтекания космоплана воздушными потоками невероятно сложна, — говорит Гэри Сеттлс, профессор машиностроительного факультета Пенсильванского университета в Стейт-Колледже. — Пока мы не разберемся в характеристиках этих потоков, мы не сможем проектировать летательные аппараты будущего.

Сеттлс и его сотрудники первыми предложили метод лазерного зондирования: тонкие пучки лазерного излучения просвечивают воздушные потоки в обычных аэродинамических трубах, обнаруживая сложные течения, скрытые при обычных методах испытаний в завихрениях. Такие методы получают дальнейшее развитие с применением голографии: в лазерных лучах фиксируется трехмерное голографическое изображение турбулентных воздушных потоков.

— Таким образом можно запечатлеть картину обтекания и сколько угодно изучать ее под любым углом, — говорит Сеттлс.

Еще одно направление — сооружение аэродинамических труб новой конструкции, пропускающих более мощные воздушные потоки, например, сверхзвукового аэродинамического комплекса, строительство которого планируется в штате Теннесси. Одна из рассматриваемых возможностей — нагрев воздуха взрывами электрических разрядов и направление воздушной волны на испытуемый объект. Цель этого сооружения состоит в том, чтобы реалистически имитировать сверхзвуковые скорости, превышающие скорость звука более, чем в пять раз.

Радикально новую систему разрабатывают исследователи НАСА и Техасского университета в Остине. Вместо того, чтобы обдувать потоком газа неподвижные модели, как в современных аэродинамических трубах, решено применить пусковую установку, в которой вместо обычного, химического, вида топлива будет использована энергия магнитного поля, чтобы выстреливать маломасштабные модели новых видов летательных аппаратов в газовые среды, имитирующие различные атмосферы.

Ученые Техасского университета предложили сконструировать самую большую в мире магнитную пушку длиной 535 метров. Получив ускорение под действием мощных магнитов и набрав скорость 21 700 км/час (а в перспективных вариантах и вдвое большую скорость), модель будет лететь через испытательную камеру длиной 300 метров, где будет подвергаться тряске и вибрациям. Камера будет наполнена воздухом, азотом или углекислым газом, имитирующим изучаемую атмосферу.

— Эти эксперименты тем более интересны, что нет никаких данных о поведении тел различных конфигураций в атмосферах других планет, — говорит Уильям Уэлдон, сотрудник Центра электромеханических исследований Техасского университета.

Испытательные аппараты весом до десяти килограммов будут передавать по радио данные о бортовой температуре, давлениях, напряжениях в конструкции и другую информацию.

Помимо создания высоких скоростей эта установка имеет еще одно преимущество перед аэродинамической трубой: в испытательной камере можно имитировать плотность газа на различных высотах в атмосфере планеты. В отличие от установок для баллистических испытаний, где с помощью обыкновенной пушки можно также запускать маломасштабные модели, в установке, предложенной Техасским университетом, ускорение будет развиваться чрезвычайно плавно, что предохранит хрупкие модели от разрушения и даст возможность исследовать их после полета.

Возможно также использовать эту установку для объяснения завихрений, образуемых носовой частью летящих с большой скоростью тел. Встречаясь с ударными волнами в хвостовой части летательного аппарата, эти вихри могут взрываться и, разлетаясь, создавать колоссальные давления, причиняя серьезный ущерб кораблю. Некоторые инженеры считают, что именно эти силы были причиной отрыва теплозащитных плиток от хвостовой части «шаттлов» при возвращении в атмосферу.

Помимо создания нового наземного испытательного оборудования НАСА планирует запуск моделей перспективных летательных аппаратов в атмосферу, устанавливая их на ракетах, достигающих скорости в 12 раз больше скорости звука. Во время полета нужная информация будет поступать с моделей по радио в пункт управления.

— Мы рассчитываем постепенно довести число запусков до шести — восьми в год, чтобы определить основные технические проблемы, касающиеся проектирования космоплана, — говорит Рендолф Грейвс, руководитель отдела аэродинамических исследований НАСА.

В одном из своих самых смелых проектов НАСА планирует в 1994 году запуск модели нового летательного аппарата с борта корабля «шаттл». Этот проект, названный «Эксперимент свободного полета», нацелен на получение данных, необходимых для усовершенствования метода аэродинамического торможения, заключающегося в применении легкого щита для торможения летательного аппарата в атмосфере планет. Аэродинамические тормоза представляют собой важнейшую особенность межорбитального буксира, который НАСА планирует ввести в эксплуатацию в конце 90-х годов для регулярных двусторонних грузовых перевозок между высокими и низкими околоземными орбитами.

В еще более отдаленном будущем, другой космический эксперимент НАСА будет посвящен изучению аэродинамического торможения при полетах на Марс. Аэродинамические тормоза будут замедлять движение беспилотного космического аппарата, обеспечивая его благополучную посадку на планету.

— Аэродинамическое торможение — это интересный и недорогой метод, — говорит Грейвс, — но его доводка, по-видимому, потребует немалых усилий.

Соединенные Штаты — не единственная страна, преследующая цель создать перспективные космические корабли XXI века. Программы сверхзвуковых испытательных сооружений имеют Япония, Великобритания, Франция, Германия и Европейское космическое агентство. Смелые проекты освоения космоса уже разрабатываются в конструкторских бюро.

Техник из НАСА выглядит карликом у модели американского «спейс шаттла», выполненной в масштабе 1:3 и готовой к испытаниям в аэродинамической трубе в калифорнийском центре им. Эймса.