"КРЫЛАТАЯ КОСМОНАВТИКА"
РОЖДАЕТСЯ В ТРУБЕ

Ракета или самолет? Как помочь взлететь воздушно-космическому самолету? -- Под такими заголовками в 1996 году в "НВС" была опубликована статья профессора М.Топчияна, заведующего лабораторией Института гидродинамики имени М.А.Лаврентьева. Напомню тезисно содержание статьи.

• Космонавтика выбрала ракету, а космический самолет был бы выгоднее.

• Существующие наземные стенды не обеспечивают надежное моделирование обтекания гиперзвуковых аппаратов.

• Новые--старые идеи: использование сверхвысоких давлений позволяет решить многие трудные проблемы гиперзвукового полета.

В Международном центре аэрофизических исследований при ИТПМ СО РАН строится первая гиперзвуковая труба, основанная на принципах, разработанных в Сибирском отделении РАН.

В тот год, как раз в июне, на площадях Института теоретической и прикладной механики закончился монтаж "топчияновского" источника рабочего газа МТ-1 для будущей гиперзвуковой аэродинамической трубы. Это было действительно нетривиальное событие (читай тезис N 3).

Статья заканчивалась оптимистично для поддержания творческого духа: "Источник МТ-1 скоро будет действовать в комплексе: в конце этого года ожидается запуск установки. Гиперзвуковая труба АТ-303 станет новым шагом в экспериментальной аэродинамике". Запуск не состоялся. В основном из-за недостатка средств. Зато в 1997 году началась новая история, когда в Сибирском отделении объявили конкурс интеграционных проектов. Через два года, 28 октября девяносто девятого, научные руководители межинститутского творческого коллектива доктор физико-математических наук М.Топчиян, доктор технических наук А.Харитонов, он же заместитель директора ИТПМ СО РАН и заведующий сектором этого института В.Звегинцев представили отчет о выполнении работ по интеграционному проекту "Разработка и создание гиперзвуковой аэродинамической трубы адиабатического сжатия (АТ-303)". В числе исполнителей проекта поименована группа Института теоретической и прикладной механики: старшие научные сотрудники В.Шишов, В.Чиркашенко, Ю.Вышенков, старший инженер В.Назаров и аспирант Д.Наливайченко; от Института гидродинамики -- научный сотрудник В.Рычков; от Конструкторско-технологического института гидроимпульсной техники -- заведующий сектором А.Мещеряков и инженер-конструктор А.Макаров.

Разумеется, к этой поистине гигантской работе причастны и другие "светлые головы" и "золотые руки".

Необходимо уточнить, что проект выполнялся при долевом участии Центрального аэрогидродинамического института (Москва), ведь именно для ЦАГИ создавалась действующая модель МТ-1, но в трудном 1995 году заказчик не воспользовался хорошей машиной... Московское "простонародье", задавленное безденежьем, высказалось в сердцах: "А засуньте этот источник куда подальше!"

И в Сибирском отделении от безвыходности, вынужденного простоя, перебирая варианты, подумывали превратить в ресторан новый корпус ИТПМ -- МАУ -- малых аэродинамических установок. А что? -- зал напоминает некий корабль, при желании -- космический, или его часть; на подмостках --- оркестр, железные крутые лестницы, огромные окна -- во всю стену, "бегущий" свет светильников и прочие эффекты усилят ощущение полета или качки на море... "Нет, -- сказал Василий Михайлович Фомин, директор института, -- уж лучше будем строить трубу". Не трансзвуковую, как рассчитывали, а другую, точнее -- другие -- малые экспериментальные аэродинамические установки...

РАЗБИТЬ ШАМПАНСКОГО БУТЫЛКУ...

Накануне двухтысячного, 25 декабря 1999 года в Малом зале Дома ученых Новосибирского научного центра проходила расширенная научная сессия Президиума СО РАН "Основные итоги науки XX столетия и перспективы XXI века". На этой сессии академик В.Титов, рассказывая о достижениях в механике и энергетике, говорил, не скрывая восторга, о совместной работе трех институтов, которая завершилась созданием гиперзвуковой аэродинамической трубы адиабатического сжатия с мультипликаторами давления -- АТ-303.

Общий вид трубы АТ 303

Помимо того, что эта труба создана тремя институтами, можно смело сказать, что по параметрам потока, по возможностям моделировать процессы, происходящие на границе выхода в космос, это лучшая труба в мире. Аналогов не существует вообще. Владимир Михайлович уточнил, что прекрасные знания аэродинамики в соответствующем институте были срощены, как он выразился, с пониманием механизма физики высоких давлений, обозначая тем самым прекрасные результаты, полученные в Институте гидродинамики, которым он руководит. Поэтому и возникла система, действительно не имеющая аналогов в мире. Говоря об этом событии, В.Титов не без тонкой иронии заметил, что в механике обычно не спорят о Нобелевских премиях, потому что для достижений в механике и в математике, кстати, изначально Нобелевская премия не предусматривалась...

Идея космического самолета, "проработка к трубе", началась еще в шестидесятые годы и продолжалась в семидесятые. Уже тогда, при Махе 7 и скорости, в 8 раз превышающей скорость звука, проводились испытания той возможной компоновки аэродинамической двигательной системы, необходимой для воздушно-космического самолета. И вот последняя из этой серии перспективная схема: "Реализованная на АТ-303 концепция аэродинамических труб нового поколения (высокие давления, умеренные температуры, вытеснение газа из форкамеры) обеспечивает адекватное моделирование полета перспективных воздушно-космических самолетов (ВКС) с горением в ГПВРД -- гиперзвуковом прямоточном воздушно-реактивном двигателе -- в диапазоне чисел Маха от 7 до 20 при натурных числах Рейнольдса". А у меня вертелись в голове обрывки разговоров в трубном зале под шум вентиляции. "Идею ВКС Цандер первый выдвинул, -- повторяю в уме сказанное Марленом Еновковичем Топчияном. -- Надо использовать кислород воздуха, чтобы сжечь его в воздухе!" Ему вторит не менее азартно Владимир Иванович Шишов: "Но ведь надо еще умудриться сделать управляемым процесс горения!" А это одна из трудных научных задач -- проблема газодинамики внутренних течений в двигателях: взаимодействие потока в воздухозаборнике и камере сгорания, процессы смешения и горения в сверхзвуковом режиме...

С работами Фридриха Артуровича Цандера, который создал первые реактивные двигатели и разрабатывал проект ракеты "ГИРД-Х", с идеей "крылатой космонавтики" я познакомилась наглядно, листая особый альбом "с картинками". Кажется, на обложке было написано: "Воздушно-космический самолет". К нарисованному самолету имели отношение такие крупные ученые, как А.Ферри в США и Е.Щетинков в СССР. Так что, лет сорок назад уже предлагался проект воздушно-космического самолета, который при старте с обычного аэродрома улетал бы в космос, используя на значительной части траектории аэродинамическую подъемную силу и атмосферный воздух в качестве окислителя, и только на заключительной стадии разгона -- ракетный двигатель. По расчетам специалистов, с точки зрения отношения стартовой массы к полезной нагрузке, такие системы могут быть в 7--9 раз более эффективными, чем ракеты, не говоря уже о том, что возможно создание многоразовых возвращаемых аппаратов с очень высокой степенью повторного использования.

Альбом неспроста хранился у М.Топчияна. В самый разгар "трубного" периода, когда директором ИТПМ был Владимир Васильевич Струминский, буквально все лаборатории были нацелены на очень заманчивую задачу: "Мы строим самолет!" Плакат воодушевлял. Одна лаборатория занималась двигателем. Другая -- навигацией в космосе. Третья -- теплозащитой. Четвертая -- горением... Требовалось смоделировать условия полета и саму "летающую" модель: самолет проходит весь диапазон -- от нуля до Маха 20 (М-число -- основной критерий подобия для течения сжимаемого газа назван по имени австрийского физика и философа Э.Маха). В таком диапазоне нужно построить все трубы... Кстати, все трубы в ИТПМ начинаются с "тройки" (в ЦАГИ -- с "единицы", например, АТ-117). Их называют просто по номерам -- "325", "313", "324"... и, наконец, -- "303", на которой начались испытания по новому проекту.

Понятно, что сибирская группа проанализировала причины закрытия известных зарубежных проектов крылатых систем. В Германии это проект "Zenger", в Англии -- "Hotol", В Европейском сообществе -- "Germes". Попросту, эти проекты не получили достаточно научного сопровождения и соответствующей экспериментальной базы. В США длительное время работали над созданием высокэкономичного воздушно-космического самолета с воздушно-реактивным двигателем "NASP". Программа не реализована по тем же "научным причинам". И к тому же -- у американцев не было экспериментальных установок для адекватного моделирования двигателя ГПВРД. В настоящее время в США финансируется альтернативная программа создания Х-33. Это тоже крылатый носитель многоразового действия, но с вертикальным взлетом и горизонтальной посадкой. Он предназначен для вывода спутников на геостационарную орбиту.

Обмен между Землей и космическими орбитами увеличивается. Расширяется использование космических технологий различного назначения и не только связанных с метеорологией или телевидением. Рано или поздно придется искать более выгодные способы запуска грузов на орбиту. Допустим, если американский космический аппарат с крылатым носителем взлетит, даже несмотря на вертикальный старт, крылатая новинка быстро завоюет международный рынок. И, несомненно, разорит ракетостроителей. Известные американские челноки системы "Шаттл" обходятся в копеечку, как у нас говорят, не обеспечивают экономическую эффективность. И в печальной судьбе нашего "Бурана" не последнюю роль сыграли деньги. Себе дороже запускать такую махину в космос!

Торжественный пуск трубы в эксплуатацию

Наиболее дешевыми обещают быть именно системы с горизонтальным взлетом и посадкой с использованием траектории воздушно-ракетного двигателя. Сибирская группа теоретиков и экспериментаторов намерена помочь взлететь еще не существующему воздушно-космическому самолету. Все дело в нашей, сибирской трубе. Именно в тот день -- 25 декабря 1999 года, когда академик В.Титов выступал на научной сессии, состоялся официальный запуск АТ-303. По поводу сдачи трубы в эксплуатацию, разумеется, устроили банкет. И ленточку разрезали: "АТ и номер 303 -- вот так ее и нарекли в конце тысячелетия..." "Ее отец -- ИТПМ и мать -- Гидродинамика..." На радостях нацеливались ударить в бок бутылкой "Шампанского", но разбивать бутылку о трубу все-таки не рискнули -- мало ли какие "флуктуации" произойдут в таком случайном процессе. Зато не пожалели -- изрядно окропили трубу шипучим вином...

ЧТОБЫ ПОЙТИ ВПЕРЕД,
НАДО ВЕРНУТЬСЯ НАЗАД

Эту фразу произнес Валерий Иванович Звегинцев, начальник трубы, осуществляющий техническое руководство проектом. Это ему Василий Михайлович Фомин предложил, спрашивая, -- сможет ли он построить трубу не по своим идеям. Звегинцев ответил, что он не настолько самолюбив, чтобы работать только по собственным идеям.

Гребенка приемников полного давления и тепловых потоков для измерения поля потока

Оказывается, в зале, кроме триста третьей, стоят еще две трубы, а я их сразу не заметила. Особенно интересную "трубешку", спрятанную на "палатях", предназначенную для обучения студентов и других целей. Трубный зал напоминает и заводской цех, и конструкции корабля. Мне показывали: вот труба, а в трубе -- гребенка для исследования полей скорости и тепловых потоков; а это -- стойка -- сорокаканальная система регистрации параметров; нечто похожее на самоходный кран -- подвеска оптической системы... А в комнате -- вверх по лестнице -- автоматизированная система управления комплексом... Заглянула я и в компрессорную. Там старшие научные работники как заправские рабочие -- механики, выясняли, почему заклинило вакуум. От них я узнала историю трехлетней давности о том, как перетаскивали две большие вакуумные емкости -- газгольдеры, снятые с эстакады турбокомпрессорной станции СО РАН. Нужно было переместить эти два огромных баллона всего на 500 метров во двор нового корпуса малых аэродинамических установок -- МАУ. В Новосибирске никто не смог быстро решить такую сложную задачу, даже метростроевцы. Операцию выполнили ученые, конструкторы, монтажники и военные со своим танком -- тягачом с лебедкой. Специальный тягач понадобился, когда на вторые сутки "К-700" и гусеничный трактор -- в две тяги -- не смогли сдвинуть с места транспортную платформу, на которой в огромной "постели" лежал второй баллон (укладывал емкости единственный в то время в городе кран "КАТО", он иногда курсирует по Большевистской). Операция проводилась в морозные ноябрьские воскресные дни, чтобы не привлекать внимания и не выставлять надлежащее оцепление.

И только в день первого апреля двухтысячного года в институтской газете "Смеханик" участник "танково-газгольдерного сражения" ведущий конструктор В.Игнатьев во всех подробностях, с долей юмора рассказал об уникальной операции. А я, по пути в корпус МАУ, с крыльца старого институтского здания смотрела на эти самые баллоны -- газгольдеры, пытаясь отыскать, где же они соединяются с установкой. Решила -- это под землей.

Под землю не залезешь, а в трубу -- запросто. Кабина была открыта, и я в нее -- с головой по пояс. Когда идут испытания, кабина, естественно, герметично закрыта.

-- Первые испытания, которые проводятся на всех трубах, связаны с исследованием качества потока, -- объясняет мне Валерий Иванович. -- Гребенка, на которую вы смотрите -- это поддерживающее устройство с целым набором датчиков -- 35 измерительных инструментов. На ней же можно расположить какие угодно модели. Во время работы кабина закрывается, откачивается воздух, и мы "стреляем" на модель. Нам надо понять -- создаем ли мы необходимые параметры -- давление, температуру, скорость, число Маха. Один из основных параметров при моделировании -- качество потока. Он должен быть равномерным и однородным. Когда самолет попадает, например, в зону турбулентности, машину вместе с пассажирами начинает трясти. Это нештатная ситуация. А мы стремимся к идеальной. В какой-то момент -- на какой-то стосемидесятой миллисекунде -- включается поток. Сразу все датчики "подпрыгивают" и начинают записывать информацию.

-- И число Маха?

-- Записывают и давление, которое на них "набегает", и существующий режим течения. На расстоянии 36 миллисекунд фиксируется отношение давления к скорости потока -- это и дает нам число Маха. Шестьсот миллиметров сопло. Это ось -- в одну сторону минус 300, в другую -- плюс 300 миллиметров. А на шкале точки, которые померяны. Мы сейчас обошли все поле.

-- Ну и сколько Махов у вас?

-- 15,72. Это означает, что пока течение неравномерно, но разница в Махах в разных точках порядка полутора процентов. Есть показатель, где неравномерность по числу Маха примерно один процент. Очень хороший показатель, определяющий класс точности трубы. Здесь все сходится -- и работа сопла, и измерительная техника... Все можем увидеть на экране. Полученные данные мы должны опубликовать.

-- Это ваши "холодные" и "горячие" "стрельбы"? Сколько их было? За сотню уже?

-- Мы остановились вроде на цифре 149. Остановились потому, что начало "подгорать" входное сечение, вставочка такая. Температура ведь в среднем 1600 градусов, а давление -- 1000 атмосфер. Нам вообще пришлось года три повозиться с источником рабочего газа, прежде чем вновь смонтированная машина "зашевелилась". Вот одна "простая" вещь. Считалось, что поршни силового цилиндра должны двигаться строго синхронно и встречаться в нужной точке одновременно. И не замечали расхождений. Оказалось, что трение действует чуть-чуть по-разному, а это принципиально. Мы работаем с быстропротекающими процессами. Перед "выстрелом", когда автоматика срабатывает на кнопке "пуск", буквально -- миллисекунды, а тут один поршень дошел, а второй не успевает поддерживать давление в форкамере... Как заставить их работать синхронно? А сейчас никто не замечает, что раньше на изображениях их траектории значительно расходились. Нам ценой больших усилий удалось свести их вместе. И то, что вставочка прогорела -- это из той же серии недочетов. Приходится на ходу придумывать, как изменить или поправить систему. Это же целое хозяйство! Сейчас мы думаем, как справиться с дефектом... Больше думаем, чем работаем. Научная жизнь небогата событиями. Когда вся команда здесь, в зале, крутится, -- это ненормально.

...Мы поднялись по лестнице в пультовую. Валерий Иванович показал мне, как автоматически включается установка (вручную никто бы не успел "выстрелить") и вывел на экран кое-какие картинки. Затем мы вышли на площадку, где на стене вывешены плакатики диаграмм.

Пульт управления трубы

-- Посмотрите, это показатели НАСА. Профилированное число -- Мах-16, что и у нас. Как-то они с расчетом согласовывают, но для меня -- как аэродинамика -- даже вид сверху на эту картинку говорит, -- да неравномерное здесь поле скоростей!

-- Это НАСовская труба?

-- У НАСА есть Центр имени Эймса, где проводятся аэродинамические исследования на трубах. Результаты опубликованы, но не приводятся в цифрах. По разбросу точек можно только догадываться, каков профиль скоростей. Мы работаем чище. Это не значит, что завтра все получится. Сейчас у нас очень важная часть работы. Измерительный инструмент должен очень тщательно тестироваться. Такая операция, параллельно с другими, может продолжаться несколько лет. У нас "313" работает лет тридцать и до сих пор раз в месяц измеряется поле скоростей. Инструмент требует поверки. А кроме того, начинается уже собственно эксперимент, но это особый разговор.

-- Программа экспериментов уже разработана?

-- Меня все не об этом спрашивают. Интересуются, -- есть ли у нас заказы на эту трубу. Я делаю вид, что не понимаю этого вопроса. Если мы построили-сделали трубу, то сами будем ставить эксперименты.

-- Это же естественно. Как же иначе?

-- Сейчас на первом месте деньги. Все стремятся заработать, заключить выгодные контракты, чтобы, допустим, зарубежные ученые на нашей установке проводили эксперименты. Другое дело, -- если мы заняты обработкой результатов и труба простаивает, -- то в "пустое" время кто-то со стороны может поработать на установке. Для меня в первую очередь -- наши собственные эксперименты, а результаты можно продавать.

-- И что же? Ни одного выгодного контракта?

-- Почему? Мы еще только запускаем трубу, но уже на подходе, по крайней мере, два гранта. Первый попроще -- можно хоть сейчас включаться в работу по гранту INTAS. Работа состоит из трех пунктов -- проверка параметров потока установки; испытание тестовых моделей; и, наконец, -- испытания прямоточного двигателя.

-- Поясните второй пункт -- что, у них не такие хорошие Махи?

-- Мы должны продемонстрировать заказчикам возможности установки и сравнить результаты с аналогичными трубами, существующими на Западе. Есть масса признаков... Допустим, -- по числу Маха труба не дотягивает, зато в ней проведено испытание на Махе 15 и на Махе 20, и можно сопоставить результаты.

А к испытаниям модели ГПВРД заказчик не предъявляет никаких требований. Наше дело провести испытания. У нас есть своя модель такого двигателя.

...И с французами намечается хорошая работа. Во Франции проводится крупномасштабный эксперимент по выводу спутников на орбиту с помощью ракеты "Ариан". Напомню, что в мире только три устойчивых державы, имеющих ракетоносители. Это США, Франция и Россия. У нас ракеты типа "Протон", а у французов по сути дела одна система "Ариан". На этой ракете экспериментаторы установили некий летательный аппарат, модель самолетика размером примерно шесть-семь метров в длину. Это беспилотная управляемая модель. Самолетик выводят на орбиту, он делает несколько витков, затем по сигналу начинает спускаться, проходя через все слои атмосферы. Таким же образом запускался наш сорокапятиметровый "Буран", но он садился на аэродром. А французская "птичка" -- в океан -- на последних километрах раскрываются парашюты и спасают "птичку". Так вот, в полете она проходит все высоты, начиная с орбитальных, -- в 200 километров и до нуля. В это время фиксируется траектория ее полета. По ходу можно рассчитать силу, которая действует на модель... "Птичка", как американский "Шаттл" или наш "Буран", -- я об этом студентам рассказываю -- это по сути кирпич, брошенный с орбиты с высоты 200 километров. Даже для аэродинамиков это удивительно, что аппарат приземляется в заданную точку!

-- Как-то все привыкли, не задумываются. Приземлился в заданную точку и все. Так и должно быть. Но ведь космонавты-астронавты могут рулить!

-- Да, они дергают ручкой управления влево-вправо-на себя и падают, но падают в заданную точку. Так же у французской модели. А мы повторим в трубе испытания на всех режимах полета и сравним натурные результаты с полученными в трубе. Это настоящая работа!

-- Вместе работаете на будущий самолет?

-- Такой самолет еще нигде не строится. К тому же, надо понимать, что академический институт не занимается самолетостроением, но обеспечить строительство -- задача исследователей. Главное, что никто не останавливается на этом пути. Как бы то ни было, но человечество будет осваивать космос, причем в большом объеме. Правда, это случится ни сегодня, ни завтра, может быть через сто лет, но это уже -- не через тысячу лет... Собственно, и на заре космической эры задавался вопрос, "А что туда вывозить?"

Как сказал Звегинцев, сейчас уже куча ответов на этот вопрос. И космическая связь, и Луну надо осваивать, и все это реально. "И чистить космос надо от накопившегося "железного мусора", -- это я пыталась вставить свое словечко.

-- Но в свою очередь можно выбрасывать радиоактивные отходы в дальний Космос... Представьте, если я разгоняю самолет до 8 километров в секунду -- значит выйду на круговую орбиту. Если до 11 километров в секунду -- до второй космической -- образуется эллипс. А если до 12 -- то этот эллипс размыкается.

-- И -- в бесконечность?!

-- Это означает, что аппарат направлен на Солнце и все отходы сгорят. Мы и не заметим этого. Между Землей и Солнцем -- вакуум и никаких возмущений, кроме солнечных. Отправляем -- в бесконечный Космос.

-- Кому-то в подарочек! А если серьезно?

-- На Солнце направить -- самое простое. А общая философия такая: выходить в космос необходимо. С помощью ракеты невыгодно. Представьте ракету весом в две тысячи тонн, а на конце висит сто тонн груза. Вот эти сто тонн долетают, к примеру, до Луны, возвращаются обратно, по дороге кое-что теряется. Остается кабина с тремя космонавтами, которая весит максимум полтонны. Две тысячи тонн туда, чтобы вернуть назад полтонны! Сейчас считается, -- нормальная цена вопроса от 5 до 10 тысяч долларов за килограмм выводимого груза в космос.

-- А самолет -- дешевле.

-- Предполагается, что в десять раз уменьшатся все транспортные расходы и упростится сам процесс полета и возвращения. Только не очень понятно, сколько будет стоить сам самолет.

-- И кто его будет строить...

-- Есть же люди, которые строят ракеты, новую станцию "Альфа"... Но пока исследования используются для улучшения летательных аппаратов. Чтобы взлетел воздушно-космический самолет, нужно преодолеть технические проблемы, связанные и с воздействием условий гиперзвукового полета на летательный аппарат и его системы управления вплоть до скоростей, в 24 раза превышающих скорость звука. И, разумеется, -- проблемы с организацией процесса горения в двигателях.

Галина Шпак.