КОСМОНАВТИКА И ПРОБЛЕМЫ
ГИПЕРЗВУКОВОГО ПОЛЕТА
Ровно 45 лет назад, 12 апреля 1961 года, c Байконура стартовала ракета-носитель «Восток» с первым космонавтом планеты Ю. А. Гагариным. Этого успеха удалось добиться, прежде всего, благодаря мощным жидкостным ракетным двигателям (ЖРД), разработанным в ОКБ-456
под руководством В. П. Глушко.
А. Максимов,
старший научный сотрудник ИТПМ СО РАН
Первая межконтинентальная баллистическая ракета Р-7 стартовой массой 283 тонны, оснащенная прототипами двигателей РД-107 и РД-108, развивающими тягу по 84 и 76 тонн, впервые успешно полетела 21 августа 1957 года. Созданные на ее базе ракеты-носители обеспечили запуски первых искусственных спутников Земли, лунников, межпланетных аппаратов к Венере и Марсу, всех советских и российских космонавтов, множества спутников различных назначений. Успех американцев в высадке астронавтов на Луну также во многом обязан сверхмощному кислородно-керосиновому ЖРД F-1 тягой 680 тонн и более экономичным кислородно-водородным двигателям J-2 тягой 104 тонны. Всего 5 двигателей F-1 обеспечивали взлет лунной ракеты «Сатурн-5» стартовой массой 2950 тонн, а J-2 довыводили последнюю ступень на околоземную орбиту и разгоняли корабль «Аполлон» общей массой 47 тонн для полета к Луне.
ЖРД обладают высокой удельной мощностью, т.е. отношением величины тяги к массе конструкции, но для их работы необходимы большие запасы топлива. Более экономичными являются воздушно-реактивные двигатели (ВРД), появившиеся почти одновременно с ЖРД и использующие для своей работы кислород, содержащийся в воздухе.
Относительно простые прямоточные ВРД (ПВРД), создающие начальное давление в камере сгорания за счет энергии набегающего потока, могут работать только после предварительного разгона летательного аппарата до нескольких сотен километров в час. Таким двигателем были оснащены немецкие самолеты-снаряды «Фау-1», применявшиеся с июня 1944 года для массированных обстрелов Лондона. В турбореактивных двигателях (ТРД) более сложной конструкции, появившихся еще в 1937 году, сжатие воздуха обеспечивается центробежным или осевым компрессором, приводимым во вращение газовой турбиной, поэтому они создают достаточную тягу как для взлета, так и для крейсерского полета самолета.
Если удельный импульс (отношение величины тяги к весовому расходу топлива за секунду) первого мощного ЖРД баллистической ракеты А-4 («Фау-2») при давлении в камере сгорания 16 атмосфер составлял около 203 секунд (1990 м/с в системе СИ), то у ТРД того же периода — 2400-3000 секунд. За счет резкого повышения давления и применения «замкнутой» схемы, когда использованное в турбонасосном агрегате (ТНА) топливо дожигается в основной камере сгорания, удельный импульс у самых совершенных кислородно-керосиновых ЖРД удалось поднять до 300-310 секунд на уровне моря и почти до 350 секунд в пустоте, т.е. в условиях космоса. К примеру, для получения таких характеристик давление в камере сгорания двигателя РД-170 ракеты-носителя «Энергия» пришлось довести до 250 атмосфер, а непосредственно за ТНА — выше 900 атмосфер! Применение более эффективных компонентов топлива — кислорода с водородом — позволило поднять удельный импульс тяги до 380-450 секунд, т.е. увеличить эффективность современных ЖРД примерно в два раза.
В связи с лучшей экономичностью ВРД конструкторы ракетно-космических систем (РКС) почти с самого начала вели поиски путей их применения в своих разработках. Самым простым способом реализации такой идеи является включение в состав РКС обычных самолетов-носителей.
Уже в 50-60-х годах ХХ века в ходе реализации проектов экспериментальных ракетных самолетов США Х-1, Х-2, Х-15, рассчитанных на числа Маха (отношение скорости полета к скорости звука) от 2 до 7, в качестве самолетов-носителей успешно применялись тяжелые бомбардировщики. Тем не менее, к настоящему времени создана только одна-единственная авиационно-космическая система (АКС), использующая самолет-носитель для запуска спутников, которая успешно эксплуатируется с 5 апреля 1990 года. Трехступенчатые крылатые ракеты «Пегас» стартовой массой от 19 до 23,6 тонн, рассчитанные на запуск небольших спутников весом 200-500 кг, доставлялись на высоту 12 км дозвуковым стратегическим бомбардировщиком NB-52, замененным позже модифицированным пассажирским самолетом L-1011. Основными преимуществами АКС являются возможность старта из разных точек и вывод спутников на орбиты с любым наклонением к плоскости экватора. Многочисленные проекты использования более крупных (Ан-124, Ан-225 «Мрiя», Боинг В-747) или более скоростных (F-15, Миг-31, Ту-160 и т.д.) самолетов-носителей так и не были реализованы.
Обычные самолеты-носители могут нести и разогнать до скорости примерно 800 км/ч лишь ракеты легкого класса. Более значительного выигрыша можно добиться при использовании в качестве первой ступени АКС специальных гиперзвуковых самолетов-разгонщиков (ГСР), способных подняться на высоту 30-35 км и разогнаться до М = 5-7, т.е. до 5500-8000 км/час. К сожалению, несмотря на неоднократные попытки, такие самолеты-разгонщики до сих пор еще не созданы.
Наиболее известным проектом авиационно-космической системы с ГСР, разработанным в СССР, является «Спираль». Работы по созданию этой АКС начались в 1962 году в ОКБ-155 А.И. Микояна. АКС стартовой массой 115 тонн состояла из ГСР, двухступенчатого ракетного блока и орбитального самолета (ОС), способного нести полезный груз массой 1300 кг. Гиперзвуковой разгонщик длиной 38 м, размахом крыла 16,5 м и массой 52 тонны, оснащенный четырьмя многорежимными ТРД, должен был подняться на высоту 28-30 км и развить скорость до М = 6. После отцепки орбитального блока он планировал к месту старта и совершал обычную самолетную посадку. Одноместный ОС длиной 8 м, размахом крыла 7,4 м и массой 10,3 тонны выводился в космос двухступенчатой ракетой, оснащенной фтороводородными ЖРД. После выполнения полетного задания (разведки, перехвата спутников противника или нанесения ракетного удара из космоса) ОС должен был совершить спуск в атмосфере и сесть на грунтовую полосу.
Главным конструктором АКС «Спираль» был назначен Г. Е. Лозино-Лозинский, будущий главный конструктор воздушно-космического самолета (ВКС) «Буран». От всей «Спирали» до этапа летных испытаний был доведен только аналог ОС «105.11», созданный для полетов при дозвуковых скоростях. В 1976-1978 годах этот аналог, названный из-за своих внешних очертаний «Лапоть», успешно выполнил несколько планирующих спусков с высоты 5,5 км после сброса с самолета Ту-95К. После завершения испытаний аппарат «105.11» был передан в музей ВВС в Монино и в последние годы неоднократно демонстрировался по телевидению.
Работы по проекту «Спираль» прекратились в 1978 году, когда полном ходом шла работа по созданию многоразовой транспортно-космической системы тяжелого класса «Энергия-Буран». Масштабные модели орбитального самолета «Спирали», получившие обозначение «Бор» (Беспилотный орбитальный ракетоплан), использовались для уточнения характеристик управляемости и устойчивости, а также для проверки образцов теплозащитных покрытий «Бурана» в условиях реального полета. В 1982-1984 годах аппараты «Бор-4» длиной 2,86 м, размахом крыла 2,6 м и стартовой массой 1450 кг при первых двух орбитальных полетах приводнялись в Индийском океане и были засняты патрульным самолетом Р-3С «Орион» австралийских ВВС, а в последних двух полетах они спускались на Черное море.
За истекшее время в мире появилось несколько десятков проектов различных гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЛА), предназначенных как для скоростных полетов на расстояния 10 тысяч и более километров, так и для вывода спутников в космос. Однако проектанты сразу же столкнулись с множеством проблем, связанных как с получением необходимого аэродинамического качества (отношения подъемной силы к сопротивлению) и обеспечением надежной теплозащиты ГЛА, так и с созданием для них подходящих двигателей. Обычные ТРД эксплуатируются только до числа Маха М = 3 и не могут служить в качестве основных силовых установок ГЛА. Даже ПВРД с изменяемой геометрией применимы только до чисел М = 5-7, а для достижения более высоких скоростей нужны гиперзвуковые ПВРД (ГПВРД), работающие на водороде. В связи с этим, для обеспечения полета ГЛА с момента взлета вплоть до выхода на орбиту необходимо использовать различные комбинации из ТРД, ГПВРД и ЖРД, включая ракетно-прямоточный двигатель.
Концепция ГПВРД была обоснована советским ученым Е. С. Щетинковым, получившим на него авторское свидетельство в 1957 году. Основными трудностями при создании ГПВРД являются торможение набегающего потока воздуха с приемлемыми потерями и обеспечение полноты сгорания топлива. Исследования показывают, что при сверхзвуковой скорости в камере сгорания из-за малого времени пролета частиц молекулы впрыскиваемого водорода не успевают вступить в химическую реакцию с кислородом, т.е. не происходит полного сгорания топлива и выделения достаточного количества энергии. К настоящему времени по программам «Холод» (Россия), «Hyper-X» (США), «HyShot» (Австралия) и т.д. в реальных условиях гиперзвукового полета испытаны только малоразмерные модельные ГПВРД.
Не менее сложна и задача теплозащиты конструкции ГЛА при длительных полетах в атмосфере, когда значительная часть его поверхности нагревается до температур более 1500-2000 градусов по Цельсию. Насколько серьезна эта проблема, наглядно продемонстрировала катастрофа американского космического корабля «Колумбия», случившаяся 1 февраля 2003 года, когда за считанные секунды многотонный аппарат развалился на куски и сгорел на высоте 60 км вместе с экипажем из 7 астронавтов.
В связи с упомянутыми трудностями, в 70-х годах разработчики новых ракетно-космических систем вынуждены были ограничиться принятием полумер: вместо сулящих значительную выгоду полностью многоразовых носителей создать частично многоразовые и использовать в качестве основных силовых установок традиционные ЖРД и РДТТ (двигатели твердого топлива). На таких принципах были сконструированы системы «Спейс Шаттл» (США) и «Энергия-Буран» (СССР). Однако даже для кратковременного спуска и торможения в атмосфере корабли «Шаттл» и «Буран» пришлось снабдить весьма сложной и дорогостоящей пассивной теплозащитой, состоящей из десятков тысяч высокотемпературных композитных плиток и нескольких тысяч многослойных панелей (одеял) общей массой в 7 и 9 тонн соответственно.
В 1984 году фирмы British Aerospace и Rolls-Royce начали совместные исследования концепции одноступенчатого носителя с горизонтальным взлетом и посадкой «Хотол» (Horizontal Take off and Landing). Стартующий с помощью специальной тележки воздушно-космический самолет взлетной массой 250 тонн, оснащенный комбинированным воздушно-реактивным жидкостным ракетным двигателем, использующим сжижаемый в полете кислород атмосферы, рассчитывался на доставку в космос 7-11 тонн полезного груза. Общая стоимость разработки «Хотола» оценивалась в 6 миллиардов фунтов стерлингов (примерно 9-10 миллиардов долларов), а его первый полет ожидался в 2000 году. В июле 1988 года английское правительство отказалось от дальнейшего финансирования программы «Хотол», а попытки фирм заинтересовать своим детищем Европейское космическое агентство или найти других спонсоров не увенчались успехом. Не помогла «Хотолу» и переделка проекта под запуск с самолета-носителя Ан-225 по заключенному 5 сентября 1990 года соглашению фирмы British Aerospace с министерством авиапромышленности СССР. К тому времени СССР уже сам остро нуждался в деньгах и никак не мог выступить в роли спонсора чужих разработок.
Проект более реалистичной двухступенчатой АКС «Зенгер» (Германия), опирающейся на достигнутый уровень технологии, также не получил достаточной поддержки и был закрыт. АКС стартовой массой 360 тонн, состоящая из гиперзвукового разгонщика с турбопрямоточными двигателями и орбитальной ступени «Хорус» массой около 100 тонн, предназначалась для доставки в космос от трех (в пилотируемом варианте) до 8,5 тонн полезной нагрузки (при беспилотном полете). Разработанный в рамках программы экспериментальный самолет-демонстратор «Хитекс» должен был совершить полет уже в 2005 году, но так и не был создан.
Наиболее масштабной по замыслам и по объемам финансирования являлась программа одноступенчатого «Национального аэрокосмического самолета» (NASP) с горизонтальным стартом и посадкой. В 1986 году на трехгодичный этап работ по программе NASP правительство США выделило 700 миллионов долларов. Стоимость разработки только прототипа-демонстратора Х-30 длиной 30-40 м и стартовой массой 90-135 тонн, рассчитанного на крейсерский полет со скоростью М = 10, оценивалась в 3,3 миллиарда долларов, а полная стоимость создания NASP — в 17 миллиардов. Летные испытания Х-30 предполагалось начать уже в 1993 году. Когда стоимость проекта Х-30 достигла 10 миллиардов долларов, Научно-технический комитет Министерства обороны США пришел к выводу о невозможности создания такого ВКС на данном уровне развития науки и техники. Программа NASP была закрыта в 1993 году.
Вскоре в США началась разработка новой многоразовой одноступенчатой системы RLV (Reusable Launch Vehicle), теперь уже с вертикальным стартом и горизонтальной посадкой. В рамках этой программы к 2005 году предполагалось создать космический аппарат Venture Star стартовой массой 971,5 тонн, рассчитанный на вывод в космос до 22 тонн полезного груза. Для демонстрации возможностей его создания фирма Локхид-Мартин и Национальное управление по аэронавтике и исследованиям космоса (НАСА) вели совместную разработку вдвое уменьшенной его копии, обозначенной Х-33. Предполагалось, что Х-33 массой 124 тонны совершит первый суборбитальный полет в марте 1999 года. Уже на этапе создания Х-33 встретилось столь много трудностей, что 1 марта 2001 года НАСА отказалось от продолжения работ, хотя к этому времени оно успело истратить 912 миллионов долларов, а фирма Локхид-Мартин — 356 миллионов.
Уникальная концепция ГЛА «Аякс» была предложена Санкт-Петербургским Научно-исследовательским предприятием гиперзвуковых систем «Ленинец» в конце 1980-х годов. По этой концепции охлаждение аппарата осуществлялось за счет термохимического разложения авиакеросина на водород, используемый для обогащения подаваемого в камеру сгорания горючего. Магнитоплазмохимический ГПВРД со сверхзвуковым горением обеспечивал ионизацию и торможение набегающего потока, выработку до 100 МВт электроэнергии в МГД-генераторе и дополнительное ускорение истекающих продуктов сгорания МГД-ускорителем. С целью снижения аэродинамического сопротивления с помощью электромагнитного и теплового воздействия лазеров вокруг «Аякса» предполагалось образовать газоплазменную среду. Хотя создать такой ГЛА в настоящее время вряд ли возможно, идея его разработки наделала немало шума в мире.
Из изложенного следует, что работы по созданию принципиально новых ВКС и ГЛА чрезвычайно сложны и требуют обширных научных исследований и значительных финансовых затрат. Вероятно, успех будет обеспечен только при использовании свежих и нестандартных идей, генерируемых новыми поколениями ученых и конструкторов. Для этого, естественно, нужно уделять как можно больше внимания подготовке высококвалифицированных кадров для разных областей науки и техники. Например, в США для привлечения молодежи к работам в ракетно-космической отрасли в течение многих лет среди учащихся ведется планомерная работа по проведению специальных занятий и различных конкурсов, а также их привлечению к настоящим научным исследованиям. По одной из таких программ НАСА EarthKAM учащиеся средних школ самостоятельно выбирают интересующие их районы земной поверхности и посылают свои задания на Международную космическую станцию, где под управлением специального компьютера цифровой фотоаппарат проводит автоматическую съемку и посылает полученные снимки на Землю.
 |
| Экскурсия в лабораторию экспериментальной аэрогазодинамики.
|
К сожалению, в нашей стране такой работе с молодежью давно уже не уделяется почти никакого внимания, хотя проводимые в Дни науки экскурсии в научные институты СО РАН свидетельствуют о большом интересе ребят к современным исследованиям по аэрокосмической тематике.
 |
| Модель будущего гиперзвукового аппарата.
|
В Дни науки в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН побывало несколько групп школьников и курсантов военного училища. Ребята внимательно прослушали специальные лекции и подробно познакомились с научным оборудованием, а также моделями гиперзвуковых самолетов и ракет, исследуемых в аэродинамических трубах института. Среди лекторов-экскурсоводов были и недавние выпускники Новосибирского государственного технического университета, где с 1981 года ведется обучение по специальности «Аэродинамика», а с 1990 года работает отдельная кафедра аэрогидродинамики. ИТПМ является базовым НИИ этой кафедры и большинство лекционных и лабораторных занятий студентов старших курсов проводится в аудиториях нашего института. Для поощрения студентов ИТПМ СО РАН учредил специальные стипендии имени академиков С. А. Христиановича, В. С. Струминского, Н. Н. Яненко и члена-корреспондента Р. И. Солоухина, бывших директоров института. В конце учебы студенты кафедры аэрогидродинамики НГТУ готовят, а затем защищают свои дипломные проекты в научных лабораториях ИТПМ. Наиболее способные выпускники поступают в аспирантуру, защищают кандидатские диссертации и пополняют ряды научных сотрудников института.
Хотелось бы надеяться, что наша страна, открывшая в свое время путь к звездам и ровно 45 лет назад первой отправившая человека в космос, будет и впредь занимать ведущее место в рядах исследователей космоса. Эта надежда в немалой степени связана с молодежью, способной достойно следовать заветам первых покорителей космоса во главе с Главным конструктором ракетно-космических систем академиком С. П. Королевым, 100-летие со дня рождения которого вскоре отметит все прогрессивное человечество.
Автор выражает свою искреннюю благодарность к.т.н. И. Мажулю за помощь и содействие в подготовке данной статьи.
стр. 1, 5
|
