«Техника-молодежи» 1973 г №4, с.30-34

Все так, словно я являюсь единственным живым существом, связанным с этой совершенно чужой и необитаемой планетой, лежащей ниже меня на двадцать четыре километра...» Этому отрывку из книги известного летчика-испытателя В. Бриджмена почти двадцать лет, и написан он задолго до первых космических полетов.

Конечно, 24 километра высоты, бывшие в то время немалым достижением авиации, блекнут на фоне гигантских расстояний пространства. Тем не менее яркая картина броска в стратосферу удивительно напоминает репортажи из космоса. И не только точным описанием вида нашей планеты с заоблачных высот. Символичен сам способ, с помощью которого небольшой ракетный самолет добрался до верхних слоев атмосферы. Стремительная, созданная для больших скоростей и огромных высот, почти бескрылая машина стартовала с другого, более «земного» самолета.

За несколько лет до первого спутника, решая насущные проблемы сверхзвуковых полетов, инженеры нащупали главнейшие элементы авиации космической. Ведь именно такая комбинация летательных аппаратов — самолета-носителя и ракетоплана — позволит уже в недалеком будущем надежно связать Землю и долговременные орбитальные станции.

АЭРОДРОМЫ НА ОРБИТЕ

Вспомните кинохронику старта тяжелой космической ракеты: как бы опираясь на столбы огня и газов, медленно уходит ввысь гигантская «сигара». Прямо-таки физически ощущается чудовищный вес всех ее ступеней. Лишь в заоблачных высях, безвозвратно потеряв изрядную часть своей массы, ракета разгоняется до действительно космической скорости. Один за другим отделяются цилиндры ступеней-ускорителей, устремляются в беспорядочном падении к земле и гибнут, превращаясь в бесформенное нагромождение оплавленного металла...

Впечатляющая картина, которая ярче всяких формул демонстрирует силу оков земного тяготения, мощь защитной оболочки Земли — атмосферы. И по сей день за вывод в космическое пространство спутников Земли, автоматических межпланетных станций, пилотируемых кораблей приходится расплачиваться тысячами тонн металла, жертвовать лишь единожды сработавшими двигателями, автоматикой, аппаратурой управления. Расточительность? И да и нет! Нет — потому, что цель оправдывает средства: только последовательное ускорение корабля, освобождающегося по дороге в пространство от всего лишнего, неработающего, открывает путь в космос. Да — оттого, что, с инженерной точки зрения, однократное использование дорогостоящих ракет-носителей — дело явно нерациональное. А ведь освоение космоса идет все убыстряющимися темпами. Уже испытаны прототипы будущих орбитальных станций, которые станут долговременными научными лабораториями в околоземном пространстве. Связать их с Землей надежным и экономичным транспортным сообщением — вот что заботит сейчас ученых и инженеров. Доставка на орбиту грузов и космонавтов для смены экипажа станции потребует челночных полетов ракетных грузовозов, рассчитанных не на один-единственный полет, а на интенсивную работу в течение нескольких лет.

Как и наземному транспорту, космическим «транспортникам» придется выполнять самые разнообразные перевозки. Одни станут как бы машинами «скорой помощи» для экипажей, терпящих бедствие, орбитальных станций. В этом случае аппарат снабдят всем необходимым для ликвидации последствий аварии, медицинской помощи пострадавшим, может быть, оборудованием для длительного пребывания космонавтов-спасателей в открытом космосе.

Другие машины примут обличье грузовозов-контейнеров, содержащих в себе полностью смонтированный автоматический спутник Земли. Выйдя на орбиту, корабль-матка выпустит его из своего чрева и возвратится на земную базу, чтобы через нужное время «ссадить» своего подопечного с орбиты на Землю.

Ученые предполагают, что и сам «транспортник» сможет на время превращаться в космическую научную лабораторию. Из обтекаемых, «зализанных» обводов корабля выйдут антенны, «крылья» солнечных батарей, всевозможные датчики. Выполнив исследовательское задание, аппарат вновь трансформируется в транспортный корабль и доставит себя самого в любую точку планеты.

У транспортных космических кораблей будет еще одно назначение, связанное с космонавтикой лишь косвенно. Они послужат для сверхскоростного сообщения между отдельными пунктами Земли. Выход на орбиту искусственного спутника нужен не для каких-либо работ в околоземном пространстве, а для скорейшего продвижения к аэропорту посадки. Двигатели трансконтинентального корабля будут работать только во время разгона до первой космической скорости и предпосадочного маневрирования.

Таков примерный круг задач орбитальной авиации. И чтобы справиться с ними, транспортные корабли должны быть и самолетами, и космическими аппаратами одновременно.

ЕДИН В ДВУХ СТИХИЯХ

Главное, что роднит космическую авиацию с ракетной техникой, — принцип ступенчатости, последовательное отделение от стартующей системы отработавших элементов. В самом деле, не тащить же с собой на орбиту опорожненные баки с горючим и окислителем, гигантские ЖРД-ускорители, всю эту «начинку» первых ступеней ракеты. Как же в таком случае сохранить ее для следующих полетов? Может быть, стоит оснастить ускоритель парашютной системой и устройствами для «мягкого» приземления — вроде тех, что применяют для воздушного десантирования боевой техники? К тому же именно таким способом возвращаются на Землю нынешние космические корабли.

Но спасительные купола все равно не принесут свой груз прямо к месту старта. В любом случае сохраненную ракету придется демонтировать и по частям землей или воздухом доставлять на базу. Кроме того, не обойтись без специальной теплозащиты корабля, которая, обгорая, спасает корпус от испепеляющего аэродинамического нагрева. И сам корабль, и последняя ступень-ускоритель на пути к Земле должны пробить воздушную броню планеты. Выход напрашивается сам собой — и выводящий и выводимый объекты нужно сделать полностью автономными летательными аппаратами, способными летать и в космосе, и в атмосфере. Вот для чего вновь пригодились старые отчеты о комбинациях «самолет — на самолете». Советский ракетоплан, пилотировавшийся после отделения от «матки» Пе-8 Георгием Шияновым, американский «скайрокет» Вильяма Бриджмена, несомый «сверхкрепостью», французский «людюк» — это принципиальная модель транспортного космического корабля многократного использования.

Инженеры предполагают: самолет-носитель и собственно транспортный корабль смогут совершить не менее сотни полетов в течение десятилетия. Система стартует вертикально, переходит на несколько наклонную траекторию набора высоты и достигает скорости порядка 3 км/сек. Дальше вторая ступень — космический корабль — продолжает лететь самостоятельно, с помощью разгонных ЖРД большой мощности. Носитель изменяет курс и возвращается на аэродром взлета. Для посадочных маневров предусмотрены воздушно-реактивные двигатели.

Общий стартовый вес системы составит около 2000 т.

Полезная нагрузка орбитальной ступени — около 30 т.

«Двуликость» корабля, его приспособленность к двум стихиям — воздушной и космической — доставит немало хлопот и ученым, и конструкторам. Конечно же, орбитальный самолет будет мало похож на своих «земных» собратьев. Общим у них останется, пожалуй, только принцип образования подъемной силы крыла. Впрочем, даже крыла в его классическом варианте может и не быть. При всех аэродинамических достоинствах фюзеляжа современного самолета — вытянутого, веретенообразного, с малой площадью поперечного сечения — он вряд ли подойдет для космического «транспортника». Его «полнят» запасы горючего и окислителя для прожорливых ЖРД, грузы. Значит, приходится искать золотую серединку между сносным аэродинамическим качеством (отношение подъемной силы аппарата к силе лобового сопротивления) и удовлетворительной вместимостью.

Скорее всего орбитальным ступеням придадут форму «несущего корпуса», который возьмет на себя функции и крыла, и фюзеляжа (см. «ТМ», 1968, № 3). Аэродинамическое качество 1,3-1,6 на спуске и 3,5-4,0 на посадке позволит аппарату маневрировать и приземлиться по-самолетному. На орбите искусственного спутника Земли аппарат стабилизируется и управляется только с помощью двигателей малой тяги, видимо ЖРД.

Маневрировать придется при подходе к орбитальной станции, стыковке с нею, при сходе с орбиты перед приземлением. Возможно, ЖРД будут включать и на спуске, чтобы помочь аэродинамическим рулям.

На этом этапе полета вступает в свои права сопротивление воздуха. С одной стороны, оно позволяет плавно опуститься на Землю, с другой — создает серьезные помехи высокоскоростному аппарату.

МЕЖДУ ДВУХ ОГНЕЙ

Применительно к кораблю, возвращающемуся из космоса на Землю, это выражение имеет самый буквальный смысл. Войди аппарат в плотные слои атмосферы под большим углом, он быстро достигнет точки посадки, но весьма пострадает от интенсивного аэродинамического нагрева. Плавный же спуск с постепенным снижением и торможением протекает куда дольше, зато в каждую единицу времени корпус воспринимает меньшие порции тепла. Вот и выходит, что, заботясь о надежной теплозащите, приходится выбирать: либо медленное и долгое «поджаривание» корабля на «малом огне», либо непродолжительное воздействие максимальной температуры.

До сих пор почти все космические корабли выдерживают спуск благодаря испарению специального покрытия. Обмазка состоит из твердых материалов — фторопласта, керамики, стекла, графита, — способных переходить в газообразное состояние, минуя жидкую фазу. Это называется сублимацией. Разрушаясь, превращаясь в газ, сублимирующее покрытие поглощает огромное количество тепла — вдесятеро больше, чем требуется для плавления. К сожалению, этот испытанный способ теплозащиты не подходит для кораблей многократного использования. Покрытие немало весит, после каждого полета понадобится вновь покрывать корпус спасительной «броней». К тому же «обмазкой» нельзя покрывать рулевые и несущие поверхности. Унос материала неизбежно скажется на их аэродинамических свойствах.

Если предпочесть быстрый и непродолжительный нагрев, аппарат войдет в атмосферу круто, с большим (около 60°) углом атаки несущей поверхности. Спуск займет мало времени. Действию высокой температуры подвергнутся только «лобовые» части корабля — нижние поверхности крыла и корпуса, составляющие около трети всей площади. Именно эти интенсивно обдуваемые элементы и придется оснастить эффективной теплозащитой. Но у летящего на больших углах атаки аппарата малое аэродинамическое качество. Сойдя с орбиты, он сможет пролететь лишь небольшое расстояние. А ведь минимальная потребная дальность планирования составит не менее 2 тыс. км, и, чтобы достичь района посадки, экипажу придется вести корабль на сравнительно небольшом угле атаки. Все части корабля испытают длительный нагрев до высокой температуры.

Нижние поверхности крыла и корпуса — до 1500— 1800°С, вертикальное оперение — до 1100-1200°. Это и есть медленное «поджаривание» на небольшом «огне». И поскольку космическому кораблю все равно не избежать аэродинамического нагрева, нужно найти средство защитить его от разрушительного действия температуры. Специалисты полагают, что скорее всего защита орбитальных ступеней будет основана на тепловом излучении поверхности аппарата. Материал с малой теплопроводностью возвратит в атмосферу значительную часть полученных калорий. Правда, его придется хорошо изолировать от внутренних элементов конструкции, иначе тепло распространится и внутрь.

Около половины внешней поверхности возвращаемого корабля с плоским днищем нагревается до 420-450° С. Такую температуру вполне выдержит обшивка из титановых сплавов. Конечно, понадобится и промежуточный слой из волокнистого термоизоляционного материала.

Возможно, корпуса аппаратов станут изготавливать из веществ, сочетающих в себе прочность металлов и теплоизолирующие свойства керамики.

Так или иначе, как ни сложны и разнообразны проблемы теплозащиты, аэродинамики, энергетики транспортных кораблей, эти представители нового поколения космической техники уже в недалеком будущем выйдут на околоземные орбиты.

По материалам зарубежной печати