На крыльях в космос: история космопланов
История работ над проектами различных многоразовых авиационно-космических систем насчитывает не один десяток лет. В апреле 1981 года состоялся первый полет на орбиту американского Space Shuttle, а чуть позже в космос полетел крылатый «Буран».
Сегодня многие связывают развитие пилотируемой программы именно с созданием космопланов. Обсуждаются такие проекты и у нас в стране. Тем более, что Россия обладает для этого отличным техническим заделом – успешно реализованной программой «Энергия-Буран».
Космический взлет «по-самолетному»
Практически сразу после первых полетов в космос появилась идея использования крылатых космических кораблей. Разработка самолетов, способных подниматься на большие высоты и выходить в космос, началась еще раньше – в конце 1950-х годов. Первым таким реализованным проектом стал американский гиперзвуковой самолет-ракетоплан North American X-15. Считается, что в 1959 году он взлетел так высоко, что оказался в космическом пространстве.
Впрочем, здесь следует уточнить, что этот факт во многом зависит от того, что именно понимать под космосом. По американским стандартам North American X-15 и его пилоты побывали в космосе 13 раз, потому что именно столько раз они поднимались на высоту более 80 км. По международным законам – только два раза, потому что согласно Международной авиационной федерации (ФАИ) космическим считается полет на высоте от 100 км над уровнем моря. При таких условиях летательный аппарат может стать искусственным спутником планеты, то есть крутиться по орбите вокруг Земли. Спутникам, как известно, крылья не нужны, а вот космическому кораблю они бы не помешали. Так посчитали специалисты NASA и в октябре 1968 года с идеей создания такого корабля обратились к американским космическим компаниям.
Считалось, что многоразовая космическая система в первую очередь позволить значительно снизить расходы на каждый пуск и стоимость полезного груза, выведенного на орбиту. В США началась работа над созданием многоразовой системой, которая получила название «Спейс шаттл» (Space Shuttle).
Первым прототипом «Спейс шаттла» стал «Энтерпрайз», названный так в честь корабля из популярного фантастического сериала Star Trek. Как и корабль из сериала, шаттл «Энтерпрайз» в настоящий космос не полетел, но позволил провести важные испытания на Земле.
Пуск «Колумбии». Фото: NASA / wikipedia.org
Первым действующим космическим челноком стала «Колумбия», чей полет состоялся 12 апреля 1981 года. В этом фактически испытательном пуске, рискуя жизнью, приняли участие два астронавта. Тогда все сложилось удачно. Трагедия с «Колумбией» случилась гораздо позже – в 2003 году на 28 пуске. При крушении погибли семь членов экипажа. Такая же судьба была и у второго космического челнока – «Челленджера». Он выдержал девять пусков, а в 1986 году при своем десятом запуске разбился с восемью астронавтами на борту.
Последний полет по программе «Спейс Шаттл» состоялся в 2011 году. Всего за 30 лет использования шаттлы совершили 135 космических путешествий. Каждая такая поездка обходилась в немаленькую сумму – от 500 млн до 1,3 млрд долларов, а каждый килограмм «космического багажа» стоил около 15 тыс. долларов. В то же время наша одноразовая ракета «Союз» выводила в космос грузы по цене примерно в два-три раза дешевле. Программа «Спейс Шаттл» планировалась как коммерчески выгодная, а в итоге стоимость доставки грузов на орбиту на американских шаттлах оказалась самой высокой за всю историю космических полетов.
«Буран», опередивший время
Неудивительно, что космическая гонка между США и СССР не смогла обойти идею многоразовых космических систем. Наблюдая за деятельностью американских коллег, советские конструкторы обсуждали этот вопрос на самом высоком уровне. Идею крылатых космических кораблей активно продвигало ОКБ-52 во главе с Владимиром Николаевичем Челомеем. В Кремле они представляли свои предложения по созданию космоплана для полета к Марсу и Венере, а также разработке пилотируемых и беспилотных ракетопланов для околоземных полетов.
При этом сама идея возвращения из космоса на крыле находила поддержку не у всех конструкторов. К примеру, Сергей Павлович Королев допускал, что крылатый космоплан может быть незаменимым, например, при посадке на Марс. Но что касается околоземных полетов, то «дорого таскать крылья в космос».
Тем не менее в СССР в 1973 году началась разработка многоразовой космической системы «Энергия-Буран». Специально для реализации программы было создано НПО «Молния» (с 2018 года это объединение входит в группу компаний «Калашников» и продолжает работы по авиационно-космической тематике). Главным конструктором «Молнии» был назначен Глеб Евгеньевич Лозино-Лозинский, до этого занимавшийся проектом «Спираль», в рамках которого разрабатывался орбитальный самолет. «Спираль» не получила поддержки у советского руководства и Лозино-Лозинского переориентировали на создание «Бурана».
Г.Е. Лозино-Лозинский (третий слева) показывает процесс сборки «Бурана» правительственной делегации
Г.Е. Лозино-Лозинский (третий слева) показывает процесс сборки «Бурана» правительственной делегации Работу над «Бураном» можно назвать самой масштабной космической стройкой в истории страны. В ней приняли участие более тысячи предприятий, многие из которых сегодня входят в состав Ростеха. В программе «Буран» большую роль играл Летно-исследовательский институт им. М.М. Громова (ЛИИ им. Громова), входящий сейчас в Объединенную авиастроительную корпорацию (ОАК). Здесь испытывалась автоматическая система управления, принципиально отличающая «Буран» от челноков пилотируемых человеком.
НПО «Молния» совместно с НПО «Энергия» и ЛИИ им. Громова разработали и построили летно-моделирующие стенды, пункт управления летным экспериментом, несколько летающих лабораторий. Атмосферный участок полета «Бурана» отрабатывался на созданной в НПО «Молния» летающей лаборатории БТС-002 – полноразмерной копии орбитального космического корабля с дополнительными турбореактивными двигателями. Более 20 полетов на БТС-002 как в ручном, так и в полностью автоматическом режиме были выполнены летчиками-испытателями ЛИИ им. Громова.
Остекление кабины и композитные детали «Бурана» были изготовлены на ОНПП «Технология». Тогда специалистами предприятия был изобретен инновационный материал гравимол, способный выдержать до +1650 °С. Можно сказать, что участие «Технологии» в проекте «Энергия-Буран» заложило основы композитного производства у нас в стране.
Кабина «Бурана» разрабатывалась специалистами Экспериментального машиностроительного завода им. В.М. Мясищева, который сегодня входит в Объединенную авиастроительную корпорацию (ОАК). Здесь же была предложена и создана уникальная система ВМ-Т для транспортировки планера космического челнока и крупногабаритных агрегатов по проекту «Энергия-Буран». В течении нескольких лет транспортные самолеты ВМ-Т «Атлант» совершили более 150 полетов, обеспечивая проведение наземных испытаний, а затем и сам космический полет.
Уникальная парашютная система космоплана была создана в НИИ парашютостроения (холдинг «Технодинамика» ). Специалистами НИИ авиационного оборудования (ныне в составе КРЭТ ) были разработаны комплексы приборной панели корабля, а посадку «Бурана» обеспечили системы производства другого предприятия КРЭТ – «Аэроприбор-Восход».
Приземление «Бурана» на аэродроме Юбилейный 15 ноября 1988 г.
В результате, 15 ноября 1988 года с космодрома Байконур ракета-носитель «Энергия» вывела космический корабль на околоземную орбиту. «Буран» два раза обогнул планету и приземлился на аэродроме «Юбилейный». Визуально посадка «Бурана» ничем не отличалась от приземления американских челноков. Однако «Буран» произвел свой полет и посадку полностью в автоматическом режиме – советским «шаттлом» управлял не экипаж, а бортовой вычислительный комплекс. Автоматический полет «Бурана» попал на страницы Книги рекордов Гиннесса и до сих пор этот рекорд не побит. К сожалению, первый полет «Бурана» стал и последним.
Подробно о том, как развивалась программа «Энергия-Буран» и чем она удивила весь мир, читайте в этой статье .
Планы для космоплана
На заре создания многоразовых авиационно-космических систем их основным назначением считался менее затратный и более оперативный по сравнению с одноразовыми ракетами доступ в космос. Но, как оказалось, проектирование такой технически сложной системы весьма затратно, да и эксплуатация не всегда экономически выгодна.
В наши дни современные технологии могут предоставить новые возможности космическому взлету «по-самолетному». Это не только организация доставки грузов на орбиту и обратно на Землю. Рассматриваются такие возможности, как трансконтинентальные перелеты, а также развитие космического туризма с пребыванием на орбите в течение нескольких дней и возвращением на аэродром вылета.
фото: Ralf Manteufel / wikimedia.org
Создание авиационно-космических систем сможет стать своего рода платформой для реализации прорывных решений. Проект такого масштаба способен аккумулировать в себе практически весь научный и промышленный потенциал страны с последующим внедрением новых технологий во многих секторах экономики. Такой была и программа «Энергия-Буран», в ходе выполнения которой была создана разнообразная номенклатура военных и гражданских разработок. Сотни этих решений нашли применение в различных сферах. К примеру, системы автоматического пилотирования, разработанные для космоплана, используются в современных истребителях и беспилотниках. Ну и, конечно, они могут стать базой при разработке нового российского космоплана – тема многоразовых крылатых космических кораблей продолжает развиваться.
События, связанные с этим
Телескоп «ТАЛ-Вега»: расширяя горизонты
От ракеты до «Кометы»: самые знаковые проекты «Технологии»
Источник
Российский гиперзвуковой истребитель, способный летать в космосе!
Как правило считается, что космическое пространство начинается с высоты в 100 км. В 1963 году, самолет NASA X-15, сумел достичь высоты в 107.8 км. Но, при этом стоит иметь в виду, что X-15 — это самолет-ракетоплан, который нельзя отнести к категории боевых самолетов и двигатель которого не позволит совершать маневры, как в атмосфере Земли и в космическом пространстве.
Но, предстоящая новинка российский авиастроителей, представит миру новый истребитель МиГ-41, которая сможет летать не только на сверхзвуковых, но и на гиперзвуковых скоростях.
Более того, истребитель сможет выполнять задачи не только в атмосфере, но и в космическом пространстве. По-крайней мере, так сообщают СМИ.
А вот и предполагаемые возможности МиГ-41:
- Самолет преодолевать скорость в 4828 км/ч. Как отмечает издание «РИА Новости», истребитель сможет летать на гиперзвуковой скорости, хотя, для этого, истребителю придется развить скорость до 6150 км/ч.
- Он будет вооружен гиперзвуковыми ракетами
- Самолет сможет превратиться в беспилотный летательный аппарат
Казалось бы, куда еще больше! Но, генеральный директор корпорации МиГ, заявил, что самолет будет невидим для вражеских радаров и даже сможет летать в космосе.
Невидимость для радаров — это не новое и не неожиданное преимущество для истребителей в 21 веке, но информация, что он сможете выполнять маневры даже в космическом пространстве, озадачила даже российские СМИ.
МиГ-31 на данный момент способны вывести небольшие спутники на орбиту, но это не тоже самое, что запуск МиГ-41 на орбиту.
Российские СМИ также отмечают, что высокие скорости и возможность поднятия на большую высоту, это важнее маневренности для перехватчика. Так например, быстрый и высоколетящий истребитель может использоваться для перехвата баллистических ракет.
Как сообщают в МиГ, новинка начнет собираться в середине 2020-х годов. При этом многие западные аналитики считают, что данный проект слишком дорог для России и осуществить его смогут не раньше чем наступят 2050 годы.
Если вам понравилась статья, ставьте «Палец вверх» и подписывайтесь на наш канал! Будет еще много интересного!
Источник
Журнал «Все о Космосе»
Долетит ли МиГ-41 до космоса?
В России к 2025 году планируют производить истребитель передового поколения из серии МиГ. Флагманский воздушный самолет 41-й модели, обладающий гиперзвуковой скоростью, как утверждают разработчики, сможет воевать в космосе, иными словами, фактически, станет первым в мире космическим истребителем.
Эксперты отмечают, что на данный момент этот самолёт сможет перехватывать гипер- и сверхзвуковые цели, летящие на скоростях до 5 Махов (1 Мах примерно равен скорости звука), а также уничтожать спутники на высотах от 120 километров.
В конце 2017 года генеральный конструктор Объединенной авиастроительный корпорации Сергей Коротков заявил, что работы по созданию МиГ-41 могут начаться уже в 2018 году.
Самолёт в космосе? Ещё со школьных времён все знают: самолёт в космосе летать не может. Он передвигается, опираясь на воздух, а в космосе, как известно, вакуум. За счёт чего там держатся космические аппараты? За счёт того, что уравнивают свою скорость так, чтобы она компенсировала притяжение земли. Для околоземной орбиты – это около 8 км/с.
Может ли самолёт достичь такой скорости? Пока про такое не было слышно. Да и, вообще, для того, чтобы забраться на орбиту нужно использовать многоступенчатую систему. Проекты запуска неких “орбитальных самолётов” с самолётов-носителей в высоких слоях атмосферы умы будоражат уже давно, но энергетика пока этого не дозволяет. Но прогресс не стоит на месте. Проект “Бурана” и американские “шаттлы” доказали, что если самолёт как-то на орбиту доставить, то там он вполне подвижен, а главное, сможет самостоятельно приземлиться. Значит, если придумать какое-то более высокоэнергетичное топливо, то можно работать и над системой взлёта и посадки с аэродрома и на аэродром. А это уже – авиация, а не космонавтика. Пока, во всяком случае.
А МиГ-41? Заметим: летать в космосе и выполнять задачи в космосе – несколько разные вещи. Некоторые задачи в космосе можно выполнять вообще с Земли. Например, комплекс С-500, который может сбивать не только воздушные, но и космические цели.Но чтобы точнее разобраться с тем, какие задачи сможет решать МиГ-41, логично будет оттолкнуться от тех задач, что решает сегодня его предтеча МиГ-31. Что такое МиГ-31?Это двухместный сверхзвуковой истребитель-перехватчик дальнего радиуса действия. Создан в 1970 годах, на вооружении – с 1981 года. Истребитель четвёртого поколения. Скорость – до трех тысяч километров в час. Основное его предназначение – перехват стратегических бомбардировщиков противника, его самолётов-разведчиков, крылатых ракет. Кроме того, уже этот самолёт мог “работать в космосе” – он был способен перехватывать и сбивать спутники на низких орбитах.
Об этом рассказал в интервью командир авиационного гарнизона Хотилово Анатолий Ульянов.
Когда летишь на современном сверхзвуковом истребителе, забираешься на самый «потолок», на предельную высоту, кажется, что совсем немного недостает машине, чтобы вырваться из пут земного тяготения и выйти на орбиту. А когда возвращаешься из космического полета и корабль входит в плотные спои атмосферы, невольно думаешь о том, как было бы хорошо, если бы он обладал качествами самолета: можно было бы выполнить необходимый маневр и совершить привычную посадку на аэродром.
К сожалению, пока ни самолет, ни космический корабль не обладают такими качествами.
Авиация подготовила научные и технические заделы в области силовых установок, конструкции аппаратов, бортовых систем, приборов и оборудования, которые явились базой для создания ракеткой техники, для рождения космонавтики. И хотя космические корабли пока мало походят на самолет, а их полет мало напоминает полет самолетов, тем не менее в их конструкции и оснащении есть много от крылатых машин.
Авиацию по праву называют колыбелью космонавтики: только овладев полетом на больших скоростях и высотах, научившись создавать совершенные конструкции летательных аппаратов и мощные реактивные двигатели, человечество смогло предпринять штурм космоса. Многие ученые, конструкторы, участвующие в исследовании и освоении космического пространства, были тесно связаны с авиацией. Не случайно и то, что первыми покорителями космоса стали летчики.
В то же время многие проблемы, решаемые при создании ракетно-космической техники, и многие результаты исследований, полученные в космических полетах, имеют важное значение для дальнейшего развития авиации. Это теплозащита конструкции, терморегулирование, биологическая защита от космического излучения и многое другое.
Наблюдая прогресс авиационной и космической техники, мы вправе задать себе такой вопрос: будет ли в дальнейшем происходить сближение этих областей, или их развитие пойдет разными путями? Есть серьезные основания считать, что в недалеком будущем произойдет заметное сближение авиации и космонавтики.
Граница скорости полетов в пределах Земли известна — ее уже достигли баллистические ракеты и искусственные спутники Земли. Это первая космическая скорость — 7,9 км/сек. До нее авиации пока еще далековато.
Что же стоит на пути достижения авиацией больших скоростей полета?
Своим возникновением и развитием авиация обязана воздушной оболочке планеты. Воздух создает опору летящему самолету, позволяет маневрировать в пространстве, он же используется для «дыхания» двигателей. Но одновременно воздух создает и аэродинамическое сопротивление, на преодоление которого тратится значительная мощность двигателей, причем с увеличением скорости это сопротивление резко возрастает. Кроме того, воздух ставит на пути к большим скоростям полета ряд пороговых препятствий, барьеров. Это хорошо известный теперь звуковой барьер. Его уже преодолела не только военная, но и гражданская авиация. Однако далось это не легко и не сразу. Это также тепловой барьер — недопустимый нагрев самолетов при полете на скоростях, в три и более раз превышающих скорость звука. К этому барьеру несколько лет назад вплотную подошла военная авиация.
Само название «барьер» для авиации не совсем удачно. Это не барьеры в обычном понимании слова — преодолел, а дальше снова легкая дорога. Это скорее рубеж, на котором авиация встречается с новыми серьезными трудностями, причем, появившись однажды, они уже не исчезают, а требуют к себе постоянного внимания.
Самолет, превысив скорость звука, преодолев звуковой барьер, все время как бы несет его на себе в виде ударной волны и становится своеобразным источником непрерывного, бесконечно растянутого взрыва. Такое же положение с тепловым барьером.
По мере развития авиации конструкторам приходится решать все более сложные задачи.
Если, к примеру, для небольших скоростей полете в атмосфере аэродинамические расчеты производятся независимо от тепловых, то при полетах на сверхзвуковых скоростях в аэродинамических расчетах приходится уже учитывать теплообмен, решать вопрос о тепловой защите аппарата, то есть решать типичную задачу теории тепломассообмена.
В условиях полета со скоростью около 900 километров в час аэродинамический нагрев незначителен, и его во внимание не принимают. Если же самолет будет лететь со скоростью в 3 тысячи километров в час, то, как показывают простейшие расчеты, температура заторможенного воздушного потока — слоев воздуха, омывающих поверхность самолета,— составит плюс 280 градусов Цельсия. На гиперзвуковых скоростях (превышающих скорость звука в пять и более раз) она превысит тысячу градусов. При скорости 10 тысяч километров температура достигнет уже 3 600 градусов,
С трудными задачами теплозащиты уже давно столкнулись создатели космической техники. Были разработаны так называемые абляционные покрытия, теплозащитные свойстве которых основываются на переходе материала из твердого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу. Абляционные покрытия защищают спускаемый аппарат космического корабля, тормозящийся при спуске в атмосфере Земли, от тепловых потоков, достигающих 6—8 тысяч градусов. Но действие таких покрытий связано с укосом массы, а следовательно, с изменением формы покрытия, что совершенно нежелательно для аппаратов, использующих в полете подъемную силу крыльев и корпуса, снабженных аэродинамическими органами управления.
Но даже если бы удалось создать надежную тепловую защиту, попет с гиперзвуковыми скоростями на освоенных высотах был бы невыгоден по экономическим соображениям — расход энергии на преодоление аэродинамического сопротивления воздуха был бы слишком большим.
Вот почему летать с большими скоростями можно лишь в разреженной атмосфере. Здесь и задачи теплозащиты аппарата могут быть решены доступными средствами. Другими словами, надо подниматься в область верхней атмосферы, которая лежит между высотами 30 и 150 километров. Самолеты не могут здесь летать вследствие недостаточной подъемной силы крыльев и тяги воздушно-реактивного двигателя, а орбитальный полёт космического корабля на таких высотах невозможен из-за большого аэродинамического торможения. Эта область разреженной атмосферы пока разделяет авиацию и космонавтику, не дает установить между ними более тесное взаимодействие.
А нужно ли такое взаимодействие? Да, нужно. В околоземном космическом пространстве без него вряд ли можно будет обойтись. С дальнейшим расширением деятельности человека в этом районе все обслуживание между Землей и околоземными орбитами, очевидно, придется взять на себя аппаратам самолетного типа.
Авиация подбирается к области неосвоенных высот снизу, космонавтика — сверху.
Советские ученые провели ряд других экспериментов, имеющих важное значение для сверхвысотной и сверхскоростной авиации будущего. Я имею в виду эксперименты на автоматических ионосферных лабораториях «Янтарь».
На борту этих лабораторий, запускавшихся с помощью геофизических ракет, устанавливались электрореактивные двигатели. Испытания показали достаточно устойчивую работу этих двигателей на разных высотах и в разных режимах. Примечательно то, что на борту не было ни горючего, ни окислителя. Рабочим телом служил азот атмосферы, правда, предварительно ионизированный. Таким образом, была доказана реальная возможность применения электрических реактивных двигателей для транспортных средств, совершающих полет в верхней атмосфере.
Орбитальные станции представляют лишь часть космической системы. Для их эксплуатации— смены экипажей, доставки запасов продовольствия, топлива для двигателей и других материалов — нужны транспортные корабли, которые совершали бы регулярные рейсы по трассе Земля — орбита — Земля.
Это звено системы оказалось пока наиболее слабым. Современные ракетно-космические транспортные средства сравнительно дороги, недостаточно грузоподъемны, требуют долгого времени для подготовки к старту. Сложные космические корабли также предназначаются лишь для одного полета.
Разве можно примириться, например, с тем, чтобы крупный океанский лайнер, строящийся несколько лет, предназначался для одного-единствениого рейса? А в космонавтике именно так дело и обстоит.
Возьмем, к примеру, американскую ракету-носитель «Сатурн-5», которая обеспечивала полеты кораблей «Аполлон» к Луне. Этот исполин высотой более 100 метров и весом почти в 3 тысячи тонн фактически прекращал свое существование через несколько минут после старта. А ведь каждая такая ракета стоит ни много ни мало 280 миллионов долларов. Через 10—12 дней от всей сложнейшей системы «Сатурн» — «Аполлон» оставалась лишь небольшая обгоревшая в атмосфере и практически непригодная для дальнейшей эксплуатации спускаемая капсула, в которой экипаж возвращался на Землю. Победная дорога космонавтики усеяна сгоревшими обломками ракет, блоков космических кораблей и брошенными на орбитах спутниками.
Такая «одноразовость» техники превращается в серьезный тормоз дальнейшего развития космонавтики и космических исследований. На первых порах, когда запусков было не так много, а исследования не косили столь большого масштаба, с этим можно было мириться. В дальнейшем же подобное расточительство станет невозможным.
Выход из создавшегося положения специалисты видят в разработке принципиально новых космических транспортных кораблей.
Существует много различных проектов, но все такие корабли по замыслу конструкторов должны «уметь» летать в атмосфере, выходить на околоземную орбиту, находиться на ней достаточно продолжительное время, а затем совершать посадку по-самолетному, на свой аэродром. И, что особенно важно, сохранять как можно больше элементов системы для повторного использования.
Чтобы удовлетворять этим требованиям, новые космические корабли должны существенно отличаться от нынешних. Во всяком случае, их орбитальные ступени должны обладать многим из того, что есть у современного самолета.
Отмечая недостатки существующих пилотируемых космических кораблей, мы назвали два: одноразовость и недостаточную грузоподъемность. В действительности недостатков гораздо больше, В частности, нынешние корабли мало маневренны, выполняют только парашютную посадку, для поиска и эвакуации их спускаемых аппаратов требуется специальная служба.
Когда в свете новых требований, предъявляемых к космическому полету, начинаешь думать: что же надо совершенствовать — современный космический корабль или современный самолет, то неизбежно приходишь к выводу, что путь к новому кораблю от авиации, пожалуй, ближе, чем от космонавтики. Орбитальная ступень этого корабля должна иметь все, чем располагает самолет: фюзеляж достаточно большой длины, крылья, систему для захода на посадку, шасси, аэродинамические органы управления.
В отличие от спускаемого аппарата космического корабля орбитальная ступень воздушно-космического самолета должна рассеивать значительную часть кинетической энергии не в плотной атмосфере, а на больших высотах, вследствие чего ее нагрев будет определяться прежде всего углом входа в атмосферу. Облегчить тепловой режим орбитальной ступени при входе в плотные слои атмосферы может спуск ее на больших углах атаки. Тогда непосредственному воздействию набегающего потока будут подвергаться только нижние поверхности ступени, площадь которых составляет примерно одну треть от всей поверхности. То есть большая часть поверхности орбитальной системы не потребует сложной теплозащиты. И самое главное — не будет областей с очень большими температурами, что наблюдается при малых углах атаки.
Полет в двух столь отличных друг от друга средах, как атмосфера и космический вакуум, потребует оснащения нового аппарата как аэродинамическими, так и газореактивными органами управления. Первые (киль, руль поворота, элевоны) будут предназначаться для полета в плотных слоях атмосферы, вторые (группы реактивных двигателей или газовых сопел) — для полета в космосе и в верхней разреженной атмосфере. Такое сочетание считается в технике вынужденным, нежелательным, но неизбежным,
В принципе новый аппарат можно было бы снабдить только газореактивными органами управления — реактивная тяга универсальна для обеих сред, но в этом случае пришлось бы отказаться от многих преимуществ, которые дает атмосфера, иметь значительно больший запас топлива или газа, причем носить этот запас до конца полета.
Боковой маневр и маневр по дальности (к примеру, при выборе точки приземления) космический самолет будет выполнять за счет аэродинамических сил, изменяя свои угол крена и угол атаки. Величина боковой дальности (максимальное отклонение вправо и влево) зависит от аэродинамического качества орбитальной ступени: чем оно выше, тем больше боковая дальность. Чтобы получить, например, боковую дальность ±2 000 км, орбитальная ступень должна иметь аэродинамическое качество на спуске около 1,3.
От тесного содружества авиации и космонавтики, этих передовых областей науки и техники, выиграет не только космонавтика. Не менее впечатляющими могут стать в недалеком будущем достижения авиации.
Например “XS-1 должен быть не традиционным самолетом и не обычным носителем, а скорее комбинацией того и другого.
#DARPA & @Boeing will build & test the “Phantom Express” XS-1 unmanned, reusable spaceplane demonstration vehicle. https://t.co/lJmGc2TNHw pic.twitter.com/4qnB1NoVDm
XS-1 (Experimental Spaceplane)-это беспилотный сверхзвуковой летательный аппарат, который будет способен взлетать вертикально и приземляться горизонтально. Он должен стартовать и развивать нужную скорость только за счет собственных двигателей, без ракетных ступеней-ускорителей. После достижения заданной высоты космоплан в автоматическом режиме высвобождает вторую ступень, предназначенную для вывода на орбиту спутника массой 1,36 т. В Пентагоне хотят, чтобы аппарат мог совершить повторный полет через несколько часов после приземления.
Китайские исследователи работают над объединением ракетных и авиационных технологий :
Китай разрабатывает многоразовый космоплан «Tengyun»,который можно будет использовать для доставки людей и грузов на орбиту. При этом его запуск и посадку можно будет осуществлять из любого обычного аэропорта. «В отличие от ракет космоплан способен произвести настоящую революцию в сфере космической транспортировки», — отметил Чжан Хунвен, президент корпорации China Aerospace Science and Industry Corporation (CASIC), ответственной за разработку. Технология гибридного воздушно-реактивного двигателя с использованием жидкого водородного топлива :в таком двигателе кислород, забираемый из атмосферы, будет переходить в жидкое состояние и на пару с жидким водородом питать силовую установку. В теории такая система позволит обеспечить достаточное ускорение для вывода космического аппарата в космос.
«Ключевой проблемой является достижение достаточно высокой скорости взлета из нормального аэропорта, теоретически это совместная работа авиационного и ракетного двигателя», – сказал профессор космического факультета Пекинского университета Цзяо Вейсинь в интервью Global Times
Применение авиационных ускорителей берет свое начало с конца 20-х г.г. и довольно богато интересными событиями.
В СССР впервые применение пороховых стартовых ракетных ускорителей было освоено на учебном самолете У-1. В марте 1931 года проводились испытания под Ленинградом на Комендантском аэродроме, бывшем тогда учебной и испытательной базой советских ВВС.На нижнее крыло биплана У-1 были установлены два ускорителя (по одному с каждой стороны), созданных в ленинградской газодинамической лаборатории (ГДЛ) под руководством В.И.Дудакова (один из ведущих инженеров ГДЛ). Тогда было выполнено более ста взлетов с ускорителями и во многих из них время разбега составляло всего 1,5 сек.Эти работы продолжились в октябре того же, 1933-го, когда твердотопливные ускорители конструкции В.И. Дудакова были опробованы на тяжелом бомбардировщике ТБ-1 (АНТ-4). Они устанавливались на крыле по три штуки на каждой консоли. Варианта установки было два (как и используемых самолетов). В первом на верхней части консоли устанавливались два ускорителя и один на нижней. Во втором все три ускорителя стояли на верхней части консоли.
Результаты были впечатляющими. Длина разбега тяжелого бомбардировщика сократилась практически на 80% с 280 м до 55 м. В связи с этим сразу возникли идеи о возможном использовании ускорителей не только для взлета с малых площадок, но и для взлета с повышенной боевой нагрузкой, то есть в так называемом перегрузочном варианте. Кроме того предполагалось использование ракетных ускорителей для взлета на лыжах с раскисших аэродромов в межсезонье.
В процессе работ выяснилась важность правильного выбора места установки и способа крепления этих агрегатов. Оказалось, что большая тяга, развиваемая практически мгновенно, оказывает очень сильное, фактически ударное воздействие на узлы крепления, а большой объем пороховых газов негативно воздействует на хвостовое оперение, вплоть до возможности возникновения бафтинга (сильных автоколебаний конструкции).
В дальнейшем в Советском Союзе эксперименты с пороховыми ракетными ускорителями, применяемыми уже не для старта, а для кратковременного увеличения скорости полета проводились в 35-36 г.г. на самолетах И-4 (АНТ-5) и И-15, а в 1943 году на бомбардировщике Пе-2.
Использовались ускорители конструкции РНИИ (Реактивный Научно-Исследовательский Институт, созданный в 1933 году слиянием ГДЛ и ГИРД; был закрыт в 1944 г.). На самолет устанавливались комплектами по три штуки с каждой стороны (крыло), то есть всего шесть. Каждый ускоритель имел тягу 450-500 кгс и работал 2,5-3 с.
Однако, широкого применения в советской авиации твердотопливные ускорители так и не нашли вплоть до начала 50-х годов. А вот применение ЖРД в этом качестве оказалось гораздо более энергичным, хотя и здесь сколько-нибудь широкого серийного производства все же осуществлено не было.Существовало довольно много проектов самолетов с винто-моторной силовой установкой для которых в качестве дополнительного двигателя-ускорителя рассматривался именно ЖРД. Многие из них были воплощены «в железе».
В период с начала 30-х годов по 1946 год в СССР осуществлялось несколько такого рода разработок. ЖРД устанавливался в комплекте с поршневым двигателем и предназначался для кратковременной работы в течение нескольких минут (обычно не более 5-ти). В течение этого времени самолет должен был существенно повысить такие важные характеристики, как скорость и потолок.
Первым был проект истребителя И-4 с двумя ЖРД ОРМ-52 конструкции В.П.Глушко, размещаемыми под консолями нижнего крыла. В качестве топлива использовался керосин, окислитель – азотная кислота. Время работы двигателей до выработки топлива – одна минута, тяга – около 300 кгс. Зажигание было химическое (то есть самовоспламенение) с использованием пускового топлива.
Во второй половине 1943 года проводились испытания бомбардировщика Пе-2РД (РУ) с ЖРД РД-1 конструкции В.П.Глушко с тягой 300 кгс, который устанавливался в хвостовой части фюзеляжа. Дополнительный двигатель запускался как в воздухе, так и на взлете. Топливом служил керосин, окислителем – азотная кислота, зажигание – электрическое от свечей.
В процессе полетов (выполнено около 100) было достигнуто увеличение максимальной скорости у земли более чем на 80 км/ч, возросла скороподъемность, значительно сократилась длина разбега. Тяга РД-1 могла регулироваться из кабины при помощи дроссельных вентилей. Подача компонентов в камеру сгорания осуществлялась сжатым воздухом, а питание систем от аккумуляторов самолета.
Разработки велись с участием С.П.Королева и в их процессе рассматривались различные варианты ускорителя для Пе-2 (РУ – реактивная установка)) : РУ-1у – бомбардировщик, разведчик с улучшенными летными характеристиками; РУ-1в – высотный одноместный истребитель (высоты 13-15 км, скорость 760 км/ч); РУ-1с – стартовый вариант со временем работы на старте до 30 сек и увеличенной тягой до 800 кгс.
Опыт работы с Пе-2РД в дальнейшем был использован при установке ЖРД на истребители. Актуальность этого вопроса повысилась в 1944 году, когда на фронте появились немецкие самолеты с турбореактивными двигателями. В Советском Союзе своих реактивных самолетов тогда еще не было, так же, как не было достаточно легкого поршневого двигателя мощностью более 2000 л.с.
Но при этом существовали довольно серьезные наработки по ЖРД и в этот период времени их использование для хотя бы кратковременного повышения высотно-скоростных характеристик самолета (например во время воздушного боя) показалось вполне логичным.
Со второй половины 1944 года разработки подобного рода велись сразу в нескольких КБ. Это были проекты самолетов Ла-7Р, Як-3РД, Ла-5ВИ, Су-7, Ла-120Р(130Р). Все эти самолеты проектировались и строились на базе серийных, за исключением Су-7 (на базе экспериментального Су-6) и Ла-120Р (на базе опытного Ла-120).
На начальном этапе на всех самолетах использовался уже упомянутый двигатель РД-1 (электрозажигание при помощи свечей), в дальнейшем его модификация РД-1ХЗ с более надежным химическим зажиганием. Для этого использовалось самовоспламеняющееся пусковое топливо (смесь карбинола с бензином). Двигатель устанавливался в хвостовой части фюзеляжа.
На самолете Ла-5ВИ (высотный истребитель, работы велись под руководством С.П.Королева) должно было быть установлено три двигателя РД-1: один в хвостовой части и два в гондолах под крылом. В этих же гондолах размещался окислитель. Планировалось также возможность использования одного, более мощного двигателя РД-3 вместо трех РД-1. Ла-5ВИ остался проектом, наработки которого были использованы при создании Ла-7Р.
Несмотря на то, что в испытательных полетах был достигнут ощутимый прогресс в улучшении летных характеристик самолетов (например увеличение скорости до 100 км/ч и более), программа использования ЖРД в качестве ракетных ускорителей была свернута в 1946 году. Причины тому было несколько и все они существенные.
Существующие двигатели из-за своей специфики не годились для применения в авиации. Они были очень не надежны, часты были поломки, имели место взрывы с разрушением конструкции. В качестве окислителя использовался очень агрессивный компонент – азотная кислота, что делало аэродромную эксплуатацию немыслимо сложной и довольно опасной.
Элементы конструкции двигателей имели очень малый ресурс (до 45 мин работы на режиме максимальной тяги). Расход топлива на этих двигателях тоже был достаточно большим. А ведь оно занимало место основного топлива для главного маршевого двигателя, что в общем случае снижало дальность полета самолета.
В дальнейшем, с середины 50-х годов, когда был уже набран достаточный опыт в строительстве ЖРД, как в СССР, так и на Западе создавались экспериментальные самолеты с ЖРД-ускорителями в качестве вспомогательных двигателей. Некоторые из них использовались для изучения проблем полета на сверхзвуке, некоторые в качестве тренировочных самолетов, другие планировались к серийному выпуску для использования в ВВС. Однако ни один из них серийным боевым самолетом так и не стал.
Германия, II Мировая Война. Некоторые факты.
Первое фактическое применение ракетных ускорителей, использованных для старта и дальнейшего полета, состоялось в марте 1928 года в Германии на планере немецкого конструктора-аэродинамика Александра Липпиша (Alexander Martin Lippisch), носившем название Ente. По-немецки это означает «Утка». Планер был построен именно по аэродинамической схеме «утка».
На планере было установлено два твердотопливных ракетных двигателя, каждый из которых работал в течение 30 сек. Розжиг был электрический. Было совершено два полета. В первом из них ракетные ускорители работали поочередно. Планер успешно взлетел и, пролетев 1500 м за одну минуту, успешно приземлился. Второй полет с одновременным включением обоих агрегатов из-за взрыва одного из них закончился неудачей. Начало, однако, было положено.
В дальнейшем, с началом Второй мировой войны, и особенно в ее второй половине, когда многие немецкие аэродромы выводились из строя в результате бомбардировок, ракетные ускорители довольно широко применялись в немецкой авиации, тем более что номенклатура их производства германской промышленностью была достаточно большой.
В частности, их использовали для старта бомбардировщиков, в том числе вновь созданных, с реактивными двигателями, которые не могли пока еще обеспечить достаточную тягу, или для старта больших тяжелых военных планеров типа Gotha Go 242 или Messerschmitt Me 321 Gigant.
Применялись как ускорители на основе РДТТ, так и ЖРД. Например, среди твердотопливных достаточное распространение получили стартовые ракетные ускорители фирмы Rheinmetall-Borsig с наименованием 109-502 (RI.502 – фирменное обозначение). Это были простые однокамерные устройства с дигликолевым порохом и электроподжигом. Время работы одного устройства составляло около шести секунд с тягой порядка 600 кгс. При более кратковременной работе максимальная тяга могла достигать 900 кгс.
Такие ускорители ставили на планера (в хвостовой части фюзеляжа) и некоторые самолеты, в частности на реактивный Ме-262 (под фюзеляж за нишами шасси), который на относительно коротких (менее 1400 м) и небетонированных полосах практически не мог без них обходиться. Позже появились стартовые ТТРУ других фирм: WASAG типы 109-522/532/543 и Schmidding типы 109-563/593.
В качестве жидкостного стартового ракетного ускорителя широкое распространение получило устройство разработанное фирмой Hellmuth Walter Kommanditgesellschaft (HWK) под наименованием HWK-109-500 (RII.201/202b). Семейство HWK-109-500 (в дальнейшем появился еще 501) получило название Starthilfe, что в переводе с немецкого по сути дела означает «помощь при старте», то есть как раз то, в чем и заключаются функции ускорителя.
Разработки по этой теме начались в Германии еще в 1937 году, а в 1939 году в США были дополнительно закуплены технологии, ускорившие процесс.
Ракетный ускоритель HWK 109-500 в музейной экспозиции (рядом с ним его камера разложения).
Главная особенность HWK-109-500 в том, что это был однокомпонентный ЖРД. Это так называемая «холодная система», в которой не происходит сгорания и камеры сгорания, как таковой, нет. Есть так называемая камера разложения. Сам процесс достаточно прост и эффективен. В двигателе использовалось топливо с обозначением T-Stoff.
Пара слов об этом не всем понятном обозначении и его происхождении….
При работе ракетных двигателей различных схем используются довольно много различных химических веществ, составов и компонентов. Это топлива, окислители, катализаторы, монотоплива, стабилизаторы и т.д. Однако список их, в общем-то, известен. Для удобства работы немецкие ученые и инженеры, занимавшиеся ракетной техникой еще до Второй мировой войны присвоили каждому элементу из имеющегося у них списка свое специальное наименование, состоявшее из одной буквы и слова «stoff».
Это слово означает в немецком «вещество». Например, водород в немецком Wasserstoff, кислород – Sauerstoff и т.д. Получилась довольно удобная кодировка, некоторыми элементами которой до сих пор пользуются специалисты-ракетчики.
При работе ракетного ускорителя HWK-109-500 использовались элементы T-Stoff и Z-Stoff. Первый элемент – это перекись водорода высокой концентрации (обычно 80%) — Н2О2. Второй – это катализатор. В качестве катализатора использовались перманганаты: калия (марганцовка) — KMnO4 или кальция — Ca(MnO4)2.
Сам процесс заключается в следующем. Перекись водорода в присутствии катализатора интенсивно разлагается на воду и кислород. При этом довольно ощутимо растет температура (вплоть до 600°С). Все это происходит в специальной камере (камера разложения), куда подается топливо ( сжатым воздухом).
Образующаяся в результате нагретая паро-газовая смесь выходит из камеры через сопло, генерируя реактивную тягу. Тягу из кабины мог регулировать пилот, открывая или закрывая электроклапан, регулирующий подачу сжатого воздуха.
Схема устройства ускорителя HWK 109-500.
Ускорители устанавливали на самолетах и планерах по одному (или несколько) под каждой консолью крыла. Время работы HWK 109-500 оставляло около 30 сек, тяга 500 кгс, собственный вес 125 кг.
Агрегат оказался очень надежным. Всего за время эксплуатации было произведено около 3000 стартов самолетов и планеров с такими ракетными ускорителями и при этом не зафиксировано ни одного серьезного отказа.
HWK 109-500 применялся на многих самолетах и планерах, наиболее часто на реактивном бомбардировщике-разведчике Arado Ar 234 „Blitz“, тяга двигателей которого (Jumo 004) была явно недостаточной. Ускорители стали практически постоянной принадлежностью этого самолета.
Первоначально ускорители после отработки оставались на самолете, однако несколько позже систему доработали и появилась возможность их сброса и спуска на парашютах. Парашют в уложенном виде располагался на фронтальной части . То есть ускорители имели возможность многократного использования. Всего за время войны было изготовлено более 6000 единиц таких агрегатов.
Ракетный ускоритель HWK 109-501, выпущенный небольшой серией, внешне мало отличался от своего предшественника, но при этом был уже двухкомпонентным ЖРД. В качестве топлива использовалась смесь керосина с гидразином (Br-Stoff + B-Stoff – около 20 кг), в качестве окислителя 80%-ная перекись водорода (T-Stoff – 220 кг), в качестве катализатора реакции перманганат кальция (Z-Stoff – около 12 кг).
Здесь уже существовала камера сгорания, в которую подавались топливо и окислитель (сжатым воздухом) и весь процесс был «горячим». Перекись водорода еще при этом охлаждала камеру сгорания.
В течение 30 с HWK 109-501 мог выдавать тягу в 1500 кгс, а в течение 42 с – 1000 кгс. Несмотря на большие тяговые возможности этот ракетный ускоритель оказался малопопулярен из-за усложненной конструкции и состава топливных компонентов. Гидразин ведь, как известно, очень токсичен. В основном он применялся на экспериментальном самолете с крылом обратной стреловидности Ju-287 из-за небольшой тяги его собственных движков.
Стоит сказать, что «холодный» принцип с однокомпонентным топливом был применен еще на одном двигателе фирмы HWK времен войны, хотя и не в плане формирования основной тяги. Это классический «горячий»ЖРД (до 1750ºС), но его турбонасосный агрегат, подающий компоненты топлива в камеру сгорания приводил в действие все тот же T-Stoff, разлагаясь в присутствии катализатора.
Это двигатель HWK 109-509 (RII.211), который устанавливался на известный ракетный истребитель конца войны Messerschmitt Me 163В Komet в качестве маршевого. Его улучшенная и облегченная модификация HWK 109-509.S-2 планировалась к установке в качестве ракетного ускорителя на Me 262 C-3a Heimatschützer IV на специальной раме под фюзеляжем.
Двигатель должен был выдавать тягу до 2000 кгс. Были также планы замены штатных ТРД Jumo 004 двумя HWK 109-509 (RII.211) на экспериментальном Ме-262 С3 Heimatschützer III. Однако ни первое, ни второе окончательно так и не было сделано. Война закончилась.
Однако, в качестве ракетного ускорителя двигатель HWK 109-509 (RII.211) все же успел побывать. 27 февраля 1945 года в небо поднялся Me 262 C-1a Heimatschützer I, у которого в хвостовой части была установлена версия 109-509.S-1.
Топливом в двигателе служила смесь C-stoff (57% — метиловый спирт (метанол), 30% — гидразин, 13% — вода, плюс катализатор 431 K3Cu(CH4)).
В качестве окислителя использовался T-stoff. Зажигание самопроизвольное.
Максимальная тяга двигателя составляла около 1700 кгс и могла регулироваться из кабины. Он включался как на земле, так и в воздухе. С его помощью на высоту 11700 м самолет поднимался за 4,5 минуты.
Еще один интересный проект с применением жидкостного ракетного ускорителя был выполнен фирмой Bayerische Motoren Werke AG (BMW AG). По сути дела это была комбинированная силовая установка, основой которой являлся турбореактивный двигатель BMW 003, над выходной частью которого был смонтирован ускоритель с ограниченным временем работы.
Комбинированный двигатель имел название BMW 003 R (TLR 109-003) и предназначался для модификации самолета Ме-262 – Me 262 C-2b Heimatschützer II, а также для модификации истребителя Heinkel He 162 Volksjäger — He 162Е. На Ме-262 ускоритель был опробован в полете только однажды 26 марта 1945 года, примерно тогда же состоялся полет Не-162Е. На большее времени уже не оставалось. Дата говорит сама за себя :-).
Вспомогательный движок, хотя и был смонтирован с основным без предусмотренного съема в эксплуатации, но оставался самостоятельным «горячим» ЖРД (за исключением того, что топливный насос ускорителя приводился от ротора главного ТРД) с наименованием BMW 718 (109-718). На нем использовалось топливо R-Stoff, представляющее собой смесь технических триметиламина и ксилидина (50/50, высокотоксичная жидкость). Это топливо еще носило название TONKA-250 и в дальнейшем использовалось при эксплуатации ракетной техники в Советском Союзе под наименованием ТГ-02.
В качестве окислителя использовался жидкий состав SV-Stoff. В русском языке он носит название «красная дымящая азотная кислота» (или буродымная кислота). В английском ему соответствует аббревиатура RFNA (Red fuming nitric acid). Это смесь азотной кислоты и тетраксида азота. Для SV-Stoff состав RFNA в Германии во время войны был таков: HNO3 + N2O4 ( 94%+6%).
Двигатель BMW 003 R в комплексе с BMW 718 мог выдавать около двух тонн тяги в течение 3-х минут ( собственный весь ускорителя не превышал 80 кг, собственная тяга около 1259 кгс). По некоторым данным такая тяга обеспечила подъем Me 262 C-2b (с двумя двигателями BMW 718) на высоту 9000 м за три минуты.
Для справки: 109 – цифровой код из перечня двигателей для летательных аппаратов в Министерстве авиации Германии во времена Второй Мировой Войны: Reichsluftfahrtministerium или RLM), соответствующий воздушно-реактивным и ракетным двигателям. 500 – номер в подразделении.
Что касается США, … то там официальные разработки (с государственным финансированием) по стартовым ракетным ускорителям, проводившиеся, кстати, в рамках общих работ по ракетному вооружению для самолетов, начались в 1938 году в лаборатории аэронавтики Гуггенхайма в Калифорнийском технологическом университете — Guggenheim Aeronautical Laboratory at the California Institute of Technology (GALCIT).
В начале августа 1941 года состоялись летные испытания стартовых пороховых ракетных ускорителей на легком самолете ERCO Ercoupe. Под крыло (центроплан) были подвешены шесть зарядов (в английском JATO(RATO) bottles) c тягой по 12,5 кгс. Самолет взлетел, сократив дистанцию разбега наполовину. Время горения ускорителей составило 12 с.
Чуть позже, 23 августа 1941 года был совершен полет того же самолета со снятым воздушным винтом и установленными 12-ю ракетными ускорителями. То есть это был первый в Америке полет самолета на ракетной тяге.
Уже тогда для военного командования США стала понятна простота и выгодность применения стартовых пороховых ракетных ускорителей для взлета тяжело-нагруженых самолетов с коротких полос, грунтовых аэродромов, с палуб авианосцев, а также гидросамолетов с водной акватории ограниченной площади, что и делалось, хоть и не массово, но с успехом в последующее время.
В первой половине 40-х годов проводились также эксперименты по применению жидкостных ракетных ускорителей. Основная область применения — бомбардировщики и транспортные самолеты. Например, специально созданный для этих целей ускоритель взлета ЖРД 25ALD-1000 JATO устанавливался на легкий поршневой бомбардировщик Douglas A-20 Havoc ( поставлялся в СССР по Ленд-лизу).
На самолете использовались два таких двигателя, по одному в каждой мотогондоле (в задней части). Топливом для этого ЖРД служил анилин, окислителем — RFNA. Мощность одного двигателя составляла около 450 кгс в течение 25 с. Разрабатывались и изготавливались эти ускорители компанией Aerojet. В дальнейшем улучшенная версия 25ALD-1000 устанавливалась на поршневые самолеты В-24, В-25, С-40 и Р-38.
Проводилось немало экспериментов по использованию ускорителей на самолетах различного назначения.
Источник