ТУПОЛЕВ, ГИПЕРЗВУКОВЫЕ

(Продолжение. Начало в №8-9/2009 г.)

Валерий Солозобов, Александр Слободчиков, Михаил Казаков, Владимир Ригмант

Как отмечалось в предыдущих номерах журнала, практически все работы, связанные с авиационно-космической тематикой (темы «ДП»», «Звезда»), были свернуты в начале 60-х годов. Вновь к этой тематике ОКБ возвращается после небольшого перерыва во второй половине 60-х - начале 70-х годов, когда в СССР начинаются перспективные исследовательские работы над авиационными воздушно-космическими системами на базе многоразовых многоступенчатых и одноступенчатых орбитальных воздушно-космических самолетов. В этот же период, начиная с 70-х годов, в ОКБ разворачиваются работы по созданию гиперзвуковых самолетов как военного, так и гражданского назначения.

Научно-исследовательские работы проводились в двух направлениях: создания воздушно-космических самолетов и гиперзвуковых самолетов.

Создание воздушно-космических самолетов (ВКС) стало принципиально новым направлением, родившимся на стыке авиационной, ракетной и космической техники, которое интенсивно развивалось, начиная с конца 60-х годов, ведущими аэрокосмическими фирмами мира. По замыслам разработчиков, реализация столь сложной и масштабной программы создания подобного воздушно-космического самолета (ВКС) должна была позволить не только создать принципиально новый класс летательных аппаратов, способных экономически и экологически эффективно решать многие проблемы военного и гражданского характера, но и дать возможность освоить перспективные технологии, которые могли бы определять во многом уровень передовых отраслей ведущих стран в XXI веке. Работы велись в двух направлениях: создание многоступенчатых авиационно-космических систем (АКС) и одноступенчатых ВКС. Туполевское ОКБ сосредоточило свои усилия на работах по одноступенчатым ВКС.

Увеличение частоты запусков ракетно-космических систем и дальнейший их рост в перспективе ставили перед разработчиками ряд экономических и экологических проблем и ограничений. Необходимо было снизить стоимость вывода полезной нагрузки на орбиту, прекратить засорение ближнего космоса отработанными частями ракетоносителей, значительно уменьшить или даже ликвидировать территории, отчуждаемые для падения отработанных ступеней. Большое значение имело обеспечение гарантированной частоты запусков, снижение стоимости и сложности наземного комплекса, а также гибкости базирования.

Обеспечить все эти весьма противоречивые требования можно было в случае создания и широкого использования одноступенчатых воздушно-космических летательных аппаратов горизонтального взлета и посадки многоразового использования.

Наиболее важным фактором для улучшения экономических показателей являлась возможность эксплуатации ВКС подобно самолету, что позволяло значительно сократить количество наземного обслуживающего персонала и исключить сложные элементы наземного комплекса (системы вертикальной сборки, стартовые площадки, специальные мероприятия и помещения для хранения блоков первых ступеней и т.д.). Значительно сокращались затраты на оперативное техническое обслуживание (за счет сокращения времени на подготовку к повторному вылету), что приближало ВКС к существующим тяжелым самолетам.

Одноступенчатым ВКС целесообразно было решать все задачи, связанные с выведением грузов малой и средней размерности на относительно низкие орбиты. Эксплуатационная гибкость подобного ВКС позволяла один и тот же летательный аппарат использовать для выполнения практически любого из возможных заданий с помощью системы сменных модулей.

В 1968-1971 годах в ОКБ А.Н.Туполева в проработке находилось несколько технических предложений по ВКС с горизонтальным стартом и посадкой. Взлетная масса летательных аппаратов, согласно предлагавшихся проектов, достигала 300 и более тонн. В качестве силовой установки предлагалось использовать ЖРД на тепловыделяющих элементах с использованием ЯСУ, в качестве рабочего тела - водород. Рассматривались варианты многоэтапного вывода полезных нагрузок с ВКС, находящихся на орбите вокруг Земли, на межпланетные орбиты с использованием ионных и плазменных маршевых двигателей.

В тот период основное внимание ОКБ было сосредоточено на СПС-1 и многорежимных тяжелых боевых самолетах, а потому на развертывание крупномасштабных и дорогостоящих исследовательских работ по одноступенчатым ВКС не было ни средств, ни свободных необходимых научно-технических людских ресурсов. Кроме того, до первых успехов в американской программе по «Спейс Шаттл» военные не проявляли особого интереса к проектам отечественных ВКС, делая ставку в оборонных космических программах на традиционные ракетно-космические системы, поэтому все эти оригинальные предложения ОКБ не вышли из стадии эмбрионального состояния.

В качестве иллюстрации работ того периода можно привести материалы по проекту ВКС с ядерным ракетным двигателем (ЯРД).

Работы по ВКС с ЯРД начались в ОКБ совместно с рядом предприятий и организаций отрасли в 1966 г. В качестве основной силовой установки предполагалось использовать газофазный ядерный ракетный двигатель, который должен был иметь следующие основные особенности, влиявшие на компоновку ВКС:

- рабочее тело с малой удельной плотностью- жидкий водород;

- высокий удельный импульс;

- большая тяга (до 600 тс);

- жесткие ограничения по боковым перегрузкам;

- недопустимость глубокого дросселирования ЯРД;

- радиоактивность ракетной струи;

- наличие на борту ядерного реактора высокой мощности, который одновременно с полезной работой по нагреву рабочего тела являлся сильнейшим источником радиоактивного излучения.

Высокий удельный импульс, превышавший в несколько раз удельный импульс лучших ЖРД того периода, в сочетании с большой тягой, позволял спроектировать одноступенчатый, маневрирующий на орбите ВКС с взлетной массой 400 - 500 т. Относительная масса полезной нагрузки (масса экипажа, специального оборудования, необходимого на орбите и запас топлива, неизрасходованного к моменту выхода на орбиту) должна была составлять 11 - 17% стартовой массы системы. Это было в 2-3 раза больше относительной массы полезной нагрузки, выводимой двухступенчатой ракетной системой с кислородно-водородными ЖРД. Близкие параметры могли иметь лишь сложные двух-трехступенчатые системы с частично теряемыми ступенями, использующие такие неординарные технические решения, как накопление по полету окислителя или гиперзвуковое сгорание. Большая масса маневрирующего на орбите ВКС, во многом определявшаяся большой относительной массой радиационной защиты кабины (5 - 10%), приводила к высокой доли топлива в полезной нагрузке, выводимой на орбиту. За вычетом топлива, выводимого на орбиту, относительная масса полезной нагрузки определялась величиной 1,3 - 3,0 %. Ограничения по боковой перегрузке ЯРД приводило к необходимости выведения ВКС по баллистической траектории. При исследовании способа выхода на баллистическую траекторию предпочтение было отдано горизонтальному старту.

Предлагавшийся проект ВКС с ЯРД имел отношение взлетной массы к посадочной в пределах двух, то есть как у большинства тяжелых самолетов, а не 7 - 14, как у предлагавшихся в то время проектов ВКС с ЖРД с вертикальным стартом. Крыло и шасси ВКС, необходимые для горизонтальной посадки, одновременно обеспечивали и горизонтальный взлет. Из-за возможности заражения местности, старт и посадка ВКС с ЯРД должны были производиться с помощью ТРДФ, работающих на водороде. Суммарная взлетная тяга ТРДФ определялась в 240 тс. Большие размеры ВКС с ЯРД были вызваны необходимостью разместить большое количество жидкого водорода. Выполнение снижения с орбиты на больших углах атаки потребовали решения задачи обеспечения удовлетворительных запасов статической устойчивости на этих режимах полета за счет специальной выпуклой профилировки нижней поверхности ВКС. Для крыла ВКС была выбрана треугольная форма в плане с большой стреловидностью по передней кромке. На консолях крыла имелись кили площадью, составляющей 14 -25 % от площади крыла. Особенности центровки ВКС с ЯРД связаны с наличием в силовой установке ядерного реактора и необходимости обеспечения радиационной защиты экипажа и оборудования. Рациональным, сокращающим стартовую массу ВКС, решением был отказ от абсолютной защиты планера самолета от излучения и концентрация защиты лишь на далеко расположенной от реактора кабине экипажа. Ограничения по дросселированию двигателя потребовали разместить на борту ВКС кислородно- водородные ЖРД. Для торможения и схода с орбиты на ВКС предназначались специальные тормозные твердотопливные двигатели. При отработке системы радиационной защиты ВКС с ЯРД ОКБ использовало свой опыт работ по программе создания самолетов с ядерной силовой установкой, над которой ОКБ активно работало в 50-е годы (самолет-летающая лаборатория Ту- 95J1AJ1, проходивший летные испытания в начале 60-х годов с «холодным» и «горячим» реактором; проекты экспериментальных самолетов Ту- 119 и Ту-120, проект самолета ПЛО с ЯСУ).

Траектория полета ВКС с ЯРД состояла из следующих участков:

- взлет с земли по-самолетному на ТРДФ (при тяге ТРДФ 240 тс длина разбега составляла бы 800 м);

- начальный разгон - набор высоты с ТРДФ (скорость в конце разгона - 2200 км/ч, высота не менее 10000 м, что обуславливалось минимальной высотой включения ЯРД));

- баллистический участок разгона на ЯРД до круговой орбитальной скорости;

- полет по круговой орбите с маневрированием. Запас топлива на ВКС позволял осуществлять маневр с поворотом орбиты на 12,5° в каждую сторону, грубый маневр осуществлялся с помощью ЯРД, более тонкое корректирование производилось с помощью кислородно-водородных верньерных ЖРД;

- торможение для спуска с орбиты предполагалось осуществлять с помощью твердотопливных двигателей. Дальнейшее снижение происходило с неработающими двигателями по траектории стационарного планирования, обеспечивающего минимальные значения температуры нагрева нижней поверхности ВКС. При вхождении в более плотные слои околоземной атмосферы ВКС мог совершать боковой маневр с использованием аэродинамических сил, при этом боковое отклонение могло достигать 1500 км;

- полет на посадку происходил с работающими ТРДФ начиная с высот 10000 - 20000 м со скоростью 1000 - 2000 км/ч, с расстояния до 500 км;

- заход на посадку производился по-самолетному. Длина пробега 1000 - 1400 м.

ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВКС С ЯРД

стартовая масса, г 380 - 450

масса полезной нагрузки,

выводимой на орбиту, г 68

площадь крыла, м2 1150

площадь килей, м2 300

длина ВКС\ м 74

размах крыла ВКС\ м 38

высота ВКС на стоянке, м 17

Важным фактором, во многом определявшим успех программ создания ВКС и гиперзвуковых самолетов, должно было стать освоение и внедрения в практику авиационно- космической техники криогенных технологий. В русле этих работ значительным достижением ОКБ стало создание и испытания экспериментального самолета Ту-155, силовая установка которого успешно работала на двух видах криогенного топлива: жидком водороде и СПГ.

Опыт создания, испытаний и доводок Ту-155, его криогенной силовой установки, а также сложнейшего наземного криогенного комплекса дал ценнейший практический материал для дальнейших работ ОКБ в области создания криогенных летательных аппаратов, в том числе и с гиперзвуковой скоростью полета.

Анализ положительных свойств криогенного топлива в авиационно- космической технике показал, что оно с наибольшим эффектом может использоваться при создании гиперзвуковых и воздушно-космических самолетов, а также в авиационно- космических системах.

В 70-е годы в ОКБ, в рамках начавшихся в СССР работ по многоступенчатым многоразовым воздушно-космическим аппаратам (МВКА), рассматривалось техническое предложение по подобным системам. К рассмотрению предлагалась воздушно-космическая система с МВКА, первой ступенью которой являлись разгонные блоки вокруг которого по периметру крепились МВКА и два дополнительных спасаемых топливных бака, выполненных в виде безмоторных крылатых аппаратов, оснащенных разворачивающимися консолями килей. После старта системы, горючее первоначально вырабатывалось из этих топливных самолетов- баков, после чего они отделялись от системы и они осуществляли планирующий полет к земле, в ходе которого их должны были перехватывать и подцеплять к себе специальные самолеты-спасатели. Затем самолеты-спасатели вместе с самолетами- баками выполняли посадку на аэродром.

С началом работ на Западе по одноступенчатым ВКС, работы по данной тематике оживились и в СССР. В первой половине 80-х годов совместно с ЦАГИ, другими предприятиями и организациями отечественного ВПК, ОКБ подготовило ряд конкретных технических предложений по созданию авиационно-космических систем на базе орбитального самолета с маршевой и корректирующей силовыми установками на основе ЖРД, с наземным или воздушным стартом с тяжелых самолетов-носителей.

В процессе детального изучения и анализа проблемы создания перспективной авиационно-космической системы (АКС) в плане наиболее оптимальных решений использования околоземного космического пространства в интересах оборонного комплекса страны и ее народного хозяйства на данном этапе в ОКБ рассматривались следующие возможные альтернативные варианты:

- одноступенчатый орбитальный самолет (ООС), стартующий горизонтально с аэродрома с помощью разгонной тележки;

- ООС, стартующий со специальной летающей платформы, обеспечивающей взлет и набор стартовых высоты и скорости ООС;

- ООС, стартующий со сверхтяжелого самолета-носителя со стартовой массой 1300 - 1500 т.

Схема ООС

Модель одноступенчатого орбитального самолета

Проведенное сравнение основных характеристик трех альтернативных концепций показало, что наибольшими возможностями по выводимой нагрузке и параллаксу при выведении груза на заданную орбиту обладает концепция АКС на базе комбинации ООС с сверхтяжелым самолетом-носителем.

В каждой из предложенных концепций рассматривались двигательные установки ООС на основе ЖРД и комбинации ЖРД + ПВРД. На том этапе, с учетом развития силовых установок был принят вариант с ЖРД, хотя и было признано, что системы с использованием ПВРД способны обеспечить более высокую эффективность по топливу, чем аппараты с ЖРД. Для ВРД эффективность использования на ООС возрастала с увеличением диапазона скоростей (чисел М), на котором работал ПВРД, вплоть до скоростей, соответствующих М=15 - 25. Однако характеристики конструкции ПВРД и их входных устройств в условиях отсутствия экспериментальных данных по опытным образцам, особенно на больших числах М полета (в частности, сверхзвуковое и гиперзвуковое горение), в тот период не позволяли принять их для практической проработки. В дальнейшем именно это направление стало основным в ОКБ для перспективных работ по ВКС. На тот период ООС с ЖРД, работавшим на компонентах: горючее - жидкий водород и окислитель - жидкий кислород, являлся наиболее реальным, как по степени готовности основных направлений (конструкции, двигатели, теплозащита и т.д.), так и по требуемым срокам создания (5-7 лет с учетом максимальной интенсификации по финансированию и привлечению людских и материальных ресурсов), по сравнению с вариантом АКС на базе ООС с ПВРД+ЖРД.

Строго говоря, предлагавшиеся варианты ООС с ЖРД не получались одноступенчатыми. В каждом из вариантов предполагалось использование промежуточного стартового или разгонного носителя (самолет, стартовая тележка).

Предлагавшийся ОКБ ООС был выполнен по аэродинамической схеме «бесхвостка» с низкорасположенным крылом малого удлинения ожи- вальной формы в плане. Крыло имело развитый корневой наплыв. Профиль крыла - дозвуковой, S-образный. Топливо и шасси размещались в корпусе (фюзеляже), крыло выполнялось без вырезов и люков. Для балансировки и управления использовались элевоны.

В принятой схеме аэродинамической компоновки ООС на малых скоростях подъемная сила создавалась в основном крылом и частично несущим корпусом с плоским днищем. На больших скоростях подъемная сила в основном создавалась корпусом.

Корпус ООС технологически делился на четыре отсека: носовой, топливный, полезной нагрузки и силовой установки. Носовой отсек помимо кабины экипажа, состоявшего из двух человек, включал передний технический отсек, люк-трап доступа в кабину и носовая стойка шасси. В топливном отсек находился бак жидкого водорода и бак жидкого кислорода. В отсеке полезной нагрузки, помимо целевого груза, размещались два вставных бака с жидким кислородом, баки с керосином, основные стойки шасси и центральный технический отсек. В отсеке силовой установки размещались три маршевых ЖРД, три ЖРД орбитального маневрирования, бак с жидким водородом и задний технический отсек.

ООС на подвеске под сверхтяжелым самолетом

К отсеку силовой установки крепился стреловидный киль с двухсекционным рулем направления.

Конструкционные материалы и решения по системе теплозащиты ООС были выбраны с учетом собственного опыта ОКБ, а также опыта создания летательных аппаратов близкого назначения, как отечественной, так и западной разработки.

Для ООС была принята конструкция с несущими топливными баками из алюминиевых сплавов, крылом и вертикальным оперением из перспективных графитовых композиционных материалов. Створки грузового люка, внутренние элементы конструкции, элементы крепления ЖРД и подсистем изготавливались из графито-эпоксидных композиционных материалов.

Для обеспечения работоспособности и ресурса конструкции применялась внешняя система теплозащиты. На разных участках поверхности в зависимости от уровня температур и тепловых потоков применялись различные по материалам, технологиям изготовления и толщине теплозащитные покрытия. Для носков фюзеляжа, крыла и оперения, где температура должна была достигать 2000 0 С., использовались композиционный материал из углерода, армированный углеродным волокном с покрытием из карборунда и двуокиси кремния. В зонах поверхностей, нагревающихся до температур в диапазоне 600 - 1300° С. применялась теплозащита из керамических плиток с боросиликатным покрытием. На нижней поверхности и в носовой части, где тепловые потоки выше, плитки имели большую толщину, а в покрытие добавлялся тетра- борид кремния для повышения излучательной способности нагретых поверхностей. Участки поверхности с более низкими температурами покрывались гибкой низкотемпературной теплоизоляцией на основе кремнеземного волокна. В зоне навески элевонов и руля направления и для крепления носков крыла и фюзеляжа применялись жаропрочные сплавы. Теплоизолирующий слой баков жидкого водорода из пенополиуретана заключался в герметичную внешнюю оболочку из композиционных материалов. Баки с высококипящими компонентами топлива, которые использовались в течение всего полета, защищались экранно-вакуум- ной теплоизоляцией.

Силовая установка ООС включала в себя три маршевых ЖРД с максимальной тягой по 200 тс., три ЖРД орбитального маневрирования и 38 ЖРД реактивной системы управления. В основу маршевых ЖРД были положены перспективные разработки по двухконтурным трехком- понентным ЖРД, использующих две топливные пары: керосин + жидкий кислород и жидкий водород + жидкий кислород. Достоинствами подобного технического решения являлась то, что двигатели работали как единый агрегат с питанием и на керосине, и на водороде, что значительно снижало массу двигательной установки по сравнению с вариантом с раздельными ЖРД. Первый контур ЖРД работал в режиме максимальной тяги, второй - в режиме максимальной экономичности. Конструктивно ЖРД выполнялись с коаксиальными камерами сгорания. Контуры по конструкции были аналогичны обычным ЖРД с дожиганием генераторного газа. Габариты и удельная масса практически соответствовали по своим параметрам аналогичным параметрам обычных одноконтурных ЖРД, выполненных на одинаковом технологическом уровне того времени.

Взлетная расчетная масса ООС определялась в 700 т., полезная нагрузка - 10 т. При принятых размерностях ООС его посадочная масса была близка к посадочной массе «Бурана». Посадочная скорость определялась величиной 240 км/ч.

ООС мог взлетать или с ракетной тележки, или с летающей платформы, или с самолета-носителя. Для старта ООС массой в 675 т при требуемом разгоне до скорости 200 м/с требовалась ракетная тележка со стартовой массой 175 т или летающая платформа массой 475 т, или самолет-носитель массой 625 т. В случае старта с ракетной тележки, ООС помещался на ней в разгонном положении. Под действием маршевых ЖРД ООС, которые питались топливом от установленных на тележке баков, и стартовых ЖРД тележки, происходил интенсивный разгон. При этом специальное гидроподъемное устройство переводило его с установочного разгонного угла атаки 0° на взлетный угол атаки 20°. ООС, отделившись от тележки, взлетал, а тележка тормозилась аэродинамическим, гидравлическим и колодочными тормозными устройствами и затем ловилась специальными заградительными устройствами.

Варианты сверхтяжелого самолета-носителя

Проведенные исследования показали возможность создания сверхтяжелого самолета-носителя на базе имеющихся компонентов существовавших самолетов (двигатели, бортовые системы, элементы конструкции). Такой самолет-носитель должен

был обеспечивать, помимо воздушного старта ООС, перевозку различных, в том числе и уникальных крупногабаритных тяжеловесных грузов в интересах различных отраслей народного хозяйства страны, особенно при переброске их в труднодоступные районы. АКС со сверхтяжелым самолетом-носителем должна была обладать интегральными достоинствами авиационных и ракетных систем, позволяя выводить на низкие околоземные орбиты нагрузки массой в 10 и более тонн с уникальными оперативно-стратегическими и эксплуатационными возможностями. Из всех трех рассматривавшихся альтернатив АКС, этот вариант обладал наибольшими возможностями по выводимым нагрузкам и параллаксу.

Для развертывания работ по созданию «туполевского» ООС необходимо было в кратчайшие сроки форсировать научно-исследовательские работы для решения следующих основных задач:

- детальная проработка компоновок ООС с использованием двухре- жимных трехкомпонентных ЖРД для обеспечения малых габаритов ООС и уменьшения потребной массы конструкции;

- создание и отработка гиперзвуковых прямоточных двигателей для широкого диапазона чисел М полета (М= 6 - 15), альтернатива использования ЖРД для ООС;

- разработка и создание нового легкого малогабаритного и высокоэффективного оборудования для ООС и АКС;

- разработка, создание и внедрение перспективных композиционных материалов с повышенными прочностными и тепловыми характеристиками.

С учетом интенсивной работы предприятий и организаций, подключенных к программе, и с учетом того, что к этому времени предприятия и организации МАП уже накопили соответствующий опыт в процессе проектирования и разработки таких летательных аппаратов как «Спираль», «Бор», «Буран» и др., а также с учетом того огромного опыта, который накопила к этому времени наша страна в создании ракетных и ракетно-космических систем различного назначения, время, необходимое для создания подобного ООС, оценивалось в 10 лет.

(Продолжение следует)