«Техника-молодежи» 1988 г №4, с.30-34
ИНЖЕНЕРНОЕ ОБОЗРЕНИЕ |
Корней АРСЕНЬЕВ, инженер |
| «Такси» для орбиты |
| «Р |
аньше, чем ракета будет выпущена в мировое пространство, люди используют ее для сверхскоростного сообщения в пределах Земли. Полет ракеты от одного полюса Земли до другого займет 42 минуты», — писал известный популяризатор ракетной техники А. Штернфельд почти полвека назад (см. «ТМ» № 6 за 1941 г.), развивая идеи Ф. Цандера, который еще в 20-х годах предложил возвращать звездоплавателей в небольшой ракете, оборудованной выдвижными крыльями и хвостовым оперением. Войдя в плотные слои атмосферы, пилоты по-самолетному спланируют и приземлятся на любом аэродроме. Подобный аэрокосмический аппарат, предназначенный для снабжения орбитальных исследовательских станций, описывал и К. Циолковский.
К сожалению, прогноз Штернфельда не подтвердился. Первыми, в 1944 году, в стратосферу устремились не пассажирские ракетопланы, а нацеленные на Лондон нацистские баллистические ракеты Фау-2.
Только после второй мировой войны, когда авиация переходила на реактивные двигатели, в ряде стран стали изучать поведение летательных аппаратов на небывало больших скоростях и высотах. В СССР, в 1947 году, с этой целью испытывали ракетоплан со стреловидным крылом, сконструированный под руководством М. Бисновата. Американцы построили несколько машин с жидкостно-ракетными двигателями. Например, на ракетном самолете «Белл» Х-1 стоял ЖРД фирмы «Рикшн моторс», представлявший собой четыре камеры сгорания, размещенные пучком. А сгорали в них спирт и жидкий кислород, выдавливаемые из топливных баков сжатым азотом. В октябре 1947 года тяжелый бомбардировщик Б-50 поднял на 10 тыс. м Х-1. Там он был отцеплен от носителя, летчик-испытатель Ч. Игер включил ракетный двигатель и впервые превысил скорость звука.
Потом появился Х-2 со стреловидным крылом, изготовленным из сплава меди с никелем, выдерживавшим нагрев до 400°С. Топливом для ЖРД служили охлажденные спирт и жидкий кислород — в таком виде они занимают меньший объем и медленнее испаряются. В июле 1956 года пилот Ф. Эверест достиг на Х-2 скорости 3040 км/ч. Любопытно — перед полетом крылья и нос ракетоплана покрыли разными красками, по-своему реагирующими на перегрев. После посадки «при осмотре самолета оказалось, что термостойкая краска на передних кромках была опалена и местами сильно вздута, как будто кто-то провел по этим местам паяльной лампой», вспоминал Эверест. Набегающий поток раскалил обшивку Х-2, пока тот несся в плотных слоях атмосферы, зато в стратосфере, на высоте 15 тыс. м, ракетоплан почти не испытывал воздействия разреженного воздуха.
Видно, эти полеты побудили сотрудника американской компании «Конвэр» К. Эрике (в прошлом одного из создателей нацистской Фау-2) предложить в 1956 году проект «сателлоида», ракетного самолета массой 4,5 т. Поднявшись на 120 тыс. м и разогнавшись до 28 тыс. км/ч, он должен был описать несколько витков вокруг Земли и спланировать на аэродром. По мнению Эрике, на «сателлоиде» следовало тренировать будущих астронавтов, но этого не произошло. В октябре 1957 года советская ракета-носитель вывела в космос первый искусственный спутник Земли, за которым позже последовал маленький американский «апельсин». С тех пор те, кто занимался космической техникой, начали переключаться на ракеты, как в конце 30-х годов многие дирижаблисты заделались правоверными самолетостроителями. Но не все и не сразу.
В ноябре 1961 года с базы американских ВВС «Эдвардс» взлетел стратегический бомбардировщик Б-52, под «брюхом» которого висел ракетоплан «Норт Америкен» Х-15, спроектированный пятью годами раньше для полетов на высоте 120 тыс. м со скоростью, равной М6. Напомним, М число, названное по имени австрийского физика Э. Маха (1838 — 1916), означает отношение скорости летящего тела к скорости звука в воздухе. Летчик Р. Уайт набрал на Х-15 высоту 64,5 тыс. м и достиг скорости 6548 км/ч. Масштабы почти космические, вот только семью месяцами раньше мир узнал о полете корабля «Восток», пилотируемого Ю. Гагариным.
Программу испытаний Х-15 понемногу свернули, а в декабре 1963 года НАСА (Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства) прекратило работы над новым ракетопланом Х-20 «Дайна сор» и принялось за ракеты-носители, чтобы с их помощью высадить астронавтов на Луне.
Программа принесла успех — 12 землян побывало на Луне. Наша страна пошла по пути создания автоматических станций, знаменитых «луноходов». Однако со временем у систем «ракета-носитель плюс возвращаемый аппарат» выявились и существенные недостатки. Не будем вспоминать просчеты конструкторов и производственные дефекты, из-за которых экипажи кораблей «Джемини» и «Аполло» не раз попадали в рискованные ситуации. Напомним, что когда производится запуск того же «Аполло», с космодрома стартует сооружение массой 2729 т, начиненное уникальными приборами и оборудованием, а возвращаются астронавты в маленьком спускаемом аппарате. Все остальное «прекращает существование в верхних слоях атмосферы». Согласитесь, это все равно что построить океанский суперлайнер вроде «Куин Мери» и затопить его после первого рейса, сохранив лишь спасательные шлюпки.
Так что не случайно в конце 70-х годов конструкторы, вспомнив об аэрокосмических ракетопланах, создали гибрид самолета с ракетой-носителем — космический «челнок» многоразового применения «Колумбия» с коротким дельтавидным крылом. Взлет вертикальный, с помощью ракетных ускорителей, которые все-таки приходится сбрасывать, а после орбитального полета посадка, как у обычного реактивного самолета. В 1981-1982 годах «челнок» совершил несколько успешных рейдов на орбиту, вскоре к нему присоединился «Челленджер». Тот самый, который из-за конструктивных дефектов и просчетов администраторов программы, взорвался в начале 1986 года, унеся жизни семи астронавтов. Эта трагедия приостановила американские полеты в околоземное пространство, в которых, кстати, весьма заинтересован Пентагон.
К тому же сами «челноки» обходятся недешево. Недаром еще в 1986 году сотрудник американского Института астронавтики Р. Девис подчеркивал: «Высокая стоимость всего объекта («челнока». — К. А.) ориентирует технику на создание более дешевых отдельных систем и снижение эксплуатационных расходов».
В последнее время НАСА объявило, что приступает к разработке 12 вариантов аппаратов многоразового применения. К концу столетия из них отберут два-три для реализации. Известно, что объекты массой до 10 т американцы намереваются выводить в околоземное пространство с помощью стартующего вертикально аэрокосмического самолета, представляющего собой уменьшенный и удешевленный вариант «Колумбии», или ракетного двухступенчатого носителя. В НАСА еще не решили, какой вариант предпочтительнее, а за выгодный заказ уже схватились производители ракет и авиастроительные концерны. Представители последних ссылаются на опыт, накопленный ими при создании «иксов», и не упускают случая пожаловаться на «засилье в НАСА ракетной мафии».
Тем временем орбитальными грузовиками занялись и специалисты других стран. Японские инженеры изучают возможности создания «платформ многоразового применения», в ФРГ проектируется двухступенчатый ракетоплан «Зенгер», названный в честь западногерманского теоретика космонавтики Э. Зенгера (1905-1964). В отличие от «Колумбии» этот 400-тонный самолет, со смещенным к хвосту дельтавидным крылом, должен взлетать с аэродрома. Набрав значительную высоту и скорость, равную 7М, он выйдет на орбиту, чтобы состыковаться с будущей западноевропейской станцией или запустить «со спины» искусственный спутник. Выполнив программу, «Зенгер» спустится в плотные слои атмосферы и совершит посадку на аэродроме.
В 1980 году французская компания «Аэроспасьаль» представила Национальному центру космических исследований проект корабля многоразового применения. Работу над ним в основном завершили в 1986 году, и на международном авиасалоне «Бурже-87» был показан макет ракеты-носителя «Ариан-5», которая должна вознести в космос автоматический или пилотируемый аппарат «Гермес», оснащенный главным жидкостно-ракетным и 26 малыми, маневровыми двигателями (12 в передней и 14 в хвостовой части). После того как «Гермес» наберет высоту 400 км, он настигнет исследовательскую станцию и «причалит» к ней, чтобы астронавты извлекли из трюма диаметром 3 м и объемом 35 куб. м «посылку» с Земли. Автоматический вариант «Гермеса» способен взять на борт 10 т полезной нагрузки, пилотируемый — до 4,5 т. После трехмесячного пребывания на орбите вместе со станцией «челнок» приземлится на полигоне Куре во Французской Гвиане или на одном из крупных аэродромов в Западной Европе.
Судя по сообщениям французской печати, «Гермес», создатели которого широко применяли методы машинного проектирования и компьютерную графику, будет готов к первому полету в 1997 году. А до этого предстоит оснастить его отделяемой в аварийной ситуации кабиной — сказалась катастрофа «Челленджера», не оборудованного средствами спасения астронавтов.
Одновременно французские специалисты прорабатывают проект одноступенчатого «челнока», выполненного по схеме «утка». Интересно, что переднее управляемое оперение будет размещено над фюзеляжем.
Что касается англичан, то они предпочли некоторое время выждать, посмотреть, чем обернутся старты заокеанского «челнока». И убедились, что это дорогое удовольствие — вывод на орбиту килограмма полезной нагрузки на «Челленджере» обходится в 60 тыс. долларов. Лишь в 1986 году компании «Бритиш эйрспейс» и «Роллс-Ройс» приступили к работе над проектом своего корабля многоразового применения «Хотол» (английская аббревиатура слов «горизонтальный взлет и посадка»). «Этот беспилотный летательный аппарат должен управляться автоматически в течение всего полета, — заявил сотрудник «Бритиш эйрспейс» М. Хемпселл. — Все необходимые системы автоматического пилотирования и дистанционного управления уже сейчас имеются в распоряжении конструкторов».
Как и французы, англичане остановились на схеме «утка», с управляемым оперением в носовой части и дельтавидным крылом. Поэтому на первый взгляд «Хотол» напоминает сверхзвуковой авиалайнер «Конкорд». Обшивку планера, рассчитанного на 120 запусков, выполнят из титана или сплавов на его основе, хорошо переносящих нагрев при полете на гиперзвуковой скорости.
После взлета с аэродрома «Хотол», управляемый по программе или по радиокомандам, наберет высоту 25 км и скорость 4М. Затем закроются воздухозаборники, и восемь воздушно-реактивных двигателей переключатся на режим жидкостно-ракетных, разгоняя «челнок» до 25М. По расчетам, силовая установка «Хотола» выдержит не менее 60 стартов, после чего ее заменят. Кстати, представитель «Роллс-Ройс» С. Миллер заметил, что «проект двигателя уникален, но мы еще должны ответить на весьма важные технические вопросы, чтобы убедиться в его реальности». Характеристики силовой установки англичане опубликовать не спешат...
Первый полет «Хотола» намечен на 1996 год (как видите, французы и англичане идут в ногу). Эксперты «Бритиш эйрспейс» уверены, что благодаря отсутствию мощных маневровых двигателей, систем жизнеобеспечения (зачем они автоматическому аппарату?) «Хотол» выйдет куда экономичнее «Колумбии». Но в то же время подчеркивают, что не составит большого труда превратить его и в пилотируемое «такси» для орбиты. Правда, и тогда взлет и посадка будут автоматическими, слишком уж мал обзор из кабины, размешенной за удлиненным носом. Зато на «Хотоле» появится салон для тех, кто, как отмечал обозреватель западногерманского ежемесячника «Флюгревю» Г. Ванге, захочет достичь «любой точки планеты за 100 минут».
Идея приспособить орбитальный транспортник для рейсов на линиях Лондон — Токио или Лондон — Сидней осенила англичан не случайно. Опыт коммерческой авиации показал, что конструкторам «боингов» и «конкордов» пришло время переступить очередной барьер.
«Конкорд» был рассчитан на перевозку 120-150 пассажиров со скоростью до 2500 км/ч на высоте 18 км, причем запаса топлива хватало на броски через Атлантику (около 8 тыс. км). Теперь речь пошла об авиалиниях длиной 12 тыс. км, для которых нужны машины, развивающие крейсерскую скорость 5-20М. Чтобы избежать перегрева обшивки (вспомните Х-2) и чрезмерного расхода топлива, признано целесообразным летать на высоте 30 км и более, где сопротивление сильно разреженного встречного потока незначительно.
Во Франции работы над АЖВ («самолет сверхбольших скоростей») или супер-«Конкордом» начали в 1984 году, одновременно с проектированием «челнока» по программе СТС-2000 («Система космического транспорта»). К прошлому году французские инженеры подготовили разработки самолета по схеме «утка» с дельтавидным крылом и двигателями, размещенными под фюзеляжем. В 1988-1998 годах намечено завершить все, что связано с проблемами технологии и конструкции нового турбореактивного двигателя, чтобы к 2008 году выкатить первый образец супер-«Конкорда» на аэродром.
В феврале 1985 года президент США Р. Рейган объявил национальную программу создания аэрокосмического авиалайнера. В конце того же года НАСА и Пентагон (весьма симптоматично!) взялись за разработку его прототипа — гиперзвукового экспериментального Х-30, на котором будут опробованы новые материалы, силовая установка и системы управления.
На центральном развороте слева вверху представлены:
Возможные маршруты «челноков» и космолайнеров. А — полет корабля многоразового применения: 1 — старт с аэродрома, 2 — запуск искусственного спутника при переходе на другую орбиту, 3 — ремонт искусственного спутника на орбите, 4 — заход на посадку. Б — полет пассажирского ракетоплана на расстоянии 12 тыс. км. Ниже — проектируемые за рубежом аэрокосмические аппараты
Французский аппарат многоразового применения «Гермес» отделяется от ракеты-носителя «Ариан-5». Стартовый вес — 16,7 т, сухой вес — 8,7 т, длина — 15-18 м, высота — 6 м, размах крыла — 10 м.
Б
Американский проект корабля многоразового применения с вертикальным стартом.
В
Американский проект «челнока», оснащенного двигателями, позволяющими менять орбиту.
В апреле 1986 года вышеупомянутые ведомства заключили семь контрактов с ведущими компаниями на разработку двигателей и планера космоплана, выделив на это 450 млн долларов. Известно, что силовой установкой занялись «Пратт энд Уитни», «Дженерал электрик», а планером — «Боинг», «Дженерал дайнамикс», «Локхид», «Мак-Доннелл-Дуглас» и «Рокуэлл». Позже из представленных проектов заказчики отберут два-три, чтобы сконцентрировать на них силы и средства.
И у будущих американских космопланов дельтавидное крыло, выгодное на сверхзвуковых скоростях и обеспечивающее достаточную подъемную силу при взлете и посадке. А «Боинг» с той же целью предложил выполнить дельтавидным и фюзеляж. Воздухозаборники двигателей расположат под крылом и фюзеляжем, обшивку, как и у «челноков», изготовят из титана или сплавов, носовую часть, переднюю кромку крыла и оперения, испытывающие наибольший нагрев, прикроют еще и жаропрочными материалами.
Пока суть да дело, американские компании уже принялись рекламировать замышляемые машины. Так, в 1982 году, на Международной авиавыставке в Фарнборо, «Локхид» представил макет четырехмоторного, гиперзвукового авиалайнера, который способен базироваться на обычных аэродромах, а летать — на 30-километровой высоте со скоростью 25 тыс. км/ч. Опубликован и проект аналогичного самолета с четырьмя или пятью двигателями и характерным для дозвуковых машин вертикальным оперением.
Поспешила объявить о 305-местном космолете «Восточный экспресс» и компания «Мак-Доннелл-Дуглас», представив в 1987 году на авиационном салоне в Бурже его модель. Этот дельтавидный аппарат с отклоняющимся вниз при взлете и посадке носом (как у «Конкорда») будет летать на высотах 15-30 км со скоростью 6,5-13 тыс. км/ч и на высотах 30-105 км со скоростью 15-30 тыс. км/ч. Не исключены в последнем случае и «прыжки» к орбитальным станциям.
«Восточный экспресс» предназначен для линий, связывающих США со странами Дальнего Востока. Дело в том, что «к 2000 году объем валового национального продукта стран тихоокеанского региона, исключая КНР, превысит валовой национальный продукт США, — подчеркивал Дж. Стигнер, представитель «Боинга». — Центр тяжести экономической мощи сдвинется туда. Сейчас половина поездок между Токио и Нью-Йорком носит деловой характер». Пока такие поездки занимают 10-16 ч, что само по себе утомительно. А медики установили: после долгого пребывания в сухом, герметичном салоне у пассажиров возникает обезвоживание организма, что проявляется в усталости и повышенной восприимчивости к инфекциям. Вот еще одна причина возникновения интереса к космолайнерам.
Нетрудно заметить, что проекты гиперзвуковых самолетов различаются лишь в частных технических решениях. И это естественно, ведь разработчики идут параллельными курсами, используя аналогичный теоретический и практический багаж. По мнению зарубежных обозревателей, первый космолет совершит рейс со скоростью 5-6М не раньше 2000 года. А пока конструкторам предстоит найти ответ на множество вопросов, причем большинство возникло на стыке разных научных дисциплин.
Напомним о некоторых. Одни специалисты уверены, что силовая установка космолайнера может быть только комбинированной. Так, турбореактивный двигатель обеспечит ему взлет и разгон до 3М. После этого вступит в дело прямоточно-воздушный двигатель — скорость возрастет до 18М, и, наконец, жидкостно-ракетный, он наиболее эффективен при полете по траектории, близкой к орбитальной, когда космоплан мчится со скоростью 25М. Однако комбинированная установка неизбежно выйдет массивной, утяжелит аппарат, заставит его на любом одном режиме возить «мертвый вес». Как классическая субмарина, оснащенная одновременно дизелем и электромоторами. Впрочем, специалисты не теряют надежды создать единый двигатель для разных режимов, последовав примеру «Роллс-Ройса».
На схеме сверхзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя, наиболее эффективного на гиперзвуковых скоростях, цифрами обозначены: 1 — входное сопло, 2 — форсунки, впрыскивающие топливо в 3 — камеру сгорания, 4 — выходное сопло, 5 — отражатель. Внизу поперечный разрез зоны критического сечения. | Американский вариант комбинированного воздушно-турбореактивного двигателя, разработанный компанией «Эйрджет»: 1 — турбореактивный двигатель, 2 — прямоточный воздушно-реактивный двигатель, 3 — жидкостно-ракетный двигатель, 4 — сопло с переменным критическим сечением. |
 | |
Идет поиск новых видов топлива. Считается, что для космопланов больше подойдут жидкие метан и кислород, которые обладают максимумом энергоемкости при минимальном объеме.
При постройке гиперзвуковиков будут применяться не только сплавы, но и композиционные материалы, в том числе выполненные по технологии, обеспечивающей высокую скорость отвердевания, что гарантирует изделиям химическую чистоту, а отсюда высокую прочность и термостойкость.
Эти и другие проблемы будут решать не только в лабораториях, но и на экспериментальных машинах. Иначе не избежать всякого рода «сюрпризов». Вот пример — американцы тщательно в свое время просчитали все, что было связано с высотным, сверхзвуковым самолетом-разведчиком СР-71. А строевые летчики не раз отмечали, что «управление самолетом становится невозможным при скоростях, равных 3М», то есть на тех, для которых и создавалась эта машина. У космопланов подобные скрытые факторы обострятся пропорционально нарастанию М-чисел.
...У читателей наверняка возникнет вопрос: как относятся к аэрокосмической технике советские специалисты? Незадолго до старта корабля «Союз ТМ-4» летчик-испытатель, ныне Герой Советского Союза А. Левченко сказал: «До сих пор авиация и космонавтика развивались своими собственными, независимыми путями. Но не за горами этап, когда они объединятся. Будущее — за аэрокосмической техникой, способной летать как в атмосфере, так и в космосе. Управлять такими аппаратами будет непросто, и учиться этому нужно уже сейчас».