Крылатый летательный аппарат в космическом пространстве

Надежда на положительное решение человечеством вопроса об исключительно мирном использовании космического пространства позволяет нам не касаться военных аспектов использования космических ЛА, хотя во многих технически развитых странах в этом направлении ведутся широкомасштабные работы.
В то же время непрерывно расширяется сфера использования космических ЛА для решения сугубо земных проблем:
- создание глобальной системы спутниковой радио- и телевизионной связи с непосредственным вещанием на индивидуальные антенны;
- проведение метеорологических, геодезических, картографических работ и исследование природных ресурсов;
- создание спутниковых систем навигации морского и воздушного транспорта и поиска терпящих бедствие;
- производство в условиях невесомости уникальных по свойствам неорганических и органических материалов и веществ.
Информация, получаемая из космоса, способствует интенсивному развитию производительных сил, контролю за состоянием и охране природной среды, она активно используется для нужд сельского, лесного, водного и рыбного хозяйства, океанографии, мелиорации, промышленного и гражданского строительства. Расширение этих работ требует увеличения грузопотока, направляемого на околоземные орбиты. Возникли и новые задачи, связанные с возвращением с орбиты на Землю крупногабаритных и тяжелых грузов.
Доставка с околоземной орбиты полезной нагрузки (экипажей, оборудования и т. п.) уже давно осуществляетсяспускаемыми аппаратами(СА) космических кораблей.
Спускаемые аппараты (рис. 4.8) 1 типа «Восток» возвращались с орбиты по баллистической траектории, поскольку их корпус сферической формы практически не создает подъемную силу и их аэродинамическое качество близко к нулю.

Рис.4.8. К влиянию формы спускаемого аппарата на аэродинамическое качество и относительную массу полезной нагрузки

СА 2 типа «Союз» и «Аполлон» (США), имеющие форму «фары», при входе в плотные слои атмосферы с аэродинамическим качеством порядка K_a = 0,1 ¸ 0,3 осуществляют «скользящий» спуск на режимах интенсивного торможения. Это позволяет достаточно точно привести их в заданную точку приземления, лежащую в плоскости орбиты ИСЗ или достаточно близкую к ней.
Применение СА с несущим корпусом 3 (K_a = 0,3 ¸ 0,6) и крылатых ЛА 4 (K_a = 1,7 ¸ 2,5) существенно увеличивает эксплуатационные возможности по транспортировке грузов, поскольку такие аппараты обеспечивают маневрирование из плоскости орбиты при планирующем спуске в атмосфере, что позволяет расширить географию мест возможной посадки.
При планирующем спуске примерно вдвое по сравнению со скользящим спуском снижается силовое воздействие на спускаемый аппарат воздушного потока и настолько уменьшается интенсивность омывающих аппарат высокотемпературных потоков воздуха, что это позволяет создать тепловую защиту, обеспечивающую возможность многократного применения крылатого ЛА для операций в космическом пространстве.
Однако относительная масса полезной нагрузки (отношение массы полезной нагрузки к массе аппарата) планирующих ЛА существенно меньше, чем СА скользящего спуска вследствие увеличения массы конструкции за счет крыла, оперения и существенно большей площади (и массы) теплозащитного покрытия.
Так, на MBKA «Буран» площадь теплозащитного покрытия превышает 1000 м², что почти в 100 раз больше, чем на СА «Союз».
Поэтому, как показывают технико-экономические расчеты, при решении широкого комплекса задач по доставке грузов на орбиту ИСЗ и с орбиты на Землю рентабельными могут быть как способы, ставшие уже традиционными (использование одноразовых ракет- носителей и СА), так и способы, основанные на применении многоразовых ЛА, имеющих частично или полностью сохраняемые компоненты (элементы ЛА), пригодные для использования их в последующих полетах.
В общем случае MBKA (или MTKK – многоразовый транспортный космический корабль) можно представить как ЛА, состоящий из разгонной ступени и воздушно-космического самолета(ВКС).
Разгонная ступень (например, ракета-носитель) обеспечивает вывод ВКС на орбиту ИСЗ. ВКС (орбитальная ступень) производит все необходимые операции в космосе и возвращается на Землю «по-самолетному».
Первыми в этом классе ЛА стали «Спейс Шаттл» (космический челнок, США) и комплекс «Энергия» – «Буран» (СССР) (рис. 4.9).

Рис. 4.9. МВКА первого поколения

Почти одинаковые параметры ТЗ на проектирование орбитальных ступеней (масса и объем полезной нагрузки), одинаковые условия возвращения с ОИСЗ с гиперзвуковой(от греч. hyper – над, сверх) скоростью, соответствующей числам М= 5 ¸ 25, и посадки на ВПП объективно привели к выбору практически одинаковых компоновочных решений и геометрических параметров ВКС (ракетопланов) «Спейс Шаттл» 1 и «Буран» 4. Однако для комплексов в целом приняты принципиально различные технические концепции.
MBKA «Спейс Шаттл» – это, фактически, снабженный ускорителямиорбитальный самолет. Космический корабль 1, имеющий три маршевых кислородно-водородных ЖРД, крепится к внешнему топливному баку 3, содержащему запасы жидкого водорода (горючее) и жидкого кислорода (окислитель). На внешний топливной бак крепятся также два разгонных ракетных двигателя твердого топлива (РДТТ) 2, в корпусах РДТТ размещен твердый топливный заряд, горение которого обеспечивает создание силы тяги.
При вертикальном старте MBKA «Спейс Шаттл» необходимая для преодоления силы земного тяготения сила тяги создается одновременной работой РДТТ и маршевых ЖРД корабля, расходующих топливо из внешнего топливного бака. После выгорания топлива разгонные РДТТ отделяются от внешнего топливного бака и с помощью парашютной спасательной системы, установленной под носовым обтекателем разгонной ступени, совершают мягкое приводнение. Маршевые двигатели корабля продолжают работу до выработки топлива из внешнего бака, после чего происходит разделение корабля и бака, который, двигаясь по баллистической траектории, падает в определенном районе Атлантического океана. Специальная двигательная установка орбитального маневрирования корабля «Спейс Шаттл», состоящая из двух ЖРД, работающих на самовоспламеняющихся компонентах топлива, размещенного в баках корабля (горючее – монометилгидразин, окислитель – четырехокись азота), завершает вывод корабля на орбиту. Таким образом, MBKA «Спейс Шаттл» (первый пилотируемый запуск корабля, названного «Колумбия», состоялся 12 апреля 1981 года) имеет два компонента многоразового применения – собственно орбитальный корабль и разгонные РДТТ.
Вертикальный старт «Бурана» обеспечивает универсальная двухступенчатая ракета- носитель «Энергия», первая ступень которой состоит из четырех ракетных блоков 5, каждый из которых оснащен кислородно-керосиновым ЖРД. Вторая ступень 6 «Энергии» – оснащенный четырьмя кислородно-водородными ЖРД центральный блок, на который компонуются блоки первой ступени и ВКС.
Старт комплекса производится при работающих двигателях первой и второй ступеней. После выработки топлива из блоков первой ступени они попарно отделяются, затем происходит их разделение, они стабилизируются и осуществляют управляемый спуск в атмосфере. Отделение «Бурана» от второй ступени происходит, когда в расчетной точке промежуточной орбиты (суборбиты) будет достигнута заданная скорость. Включая на суборбите маршевый двигатель, «Буран» сначала поднимается на промежуточную, а затем на круговую опорную орбиту, а вторая ступень РН «Энергия», продолжая пассивный (баллистический) полет, падает в определенном районе Тихого океана.
Таким образом, на момент первого пуска (15 ноября 1988 года) система «Энергия» – «Буран» имела только один компонент многоразового применения – собственно орбитальный корабль.
Блоки первой ступени РН «Энергия» могут оснащаться парашютно-ракетной системой спасения. Отработка РН в последующих пусках этой системы и оснащение аналогичной системой второй ступени – возможный путь превращения комплекса «Энергия» – «Буран» в полностью многоразовую систему.
Осуществление таких проектов MBKA, как «Спейс Шаттл» и «Буран», потребовало, безусловно, огромных материальных затрат. Окупиться эти затраты могут лишь в процессе длительной эксплуатации таких систем.
Однако разработка, испытания и опыт их эксплуатации открывают пути для поиска новых, более экономичных разработок многоразовых космических ЛА. Очевидно, что парашютный способ спасения отдельных компонентов MBKA достаточно сложен и не обеспечивает возвращения спасаемых компонентов непосредственно на стартовую площадку, а это значит, что для подготовки к повторному полету потребуются значительные затраты средств и времени. Очевидно также, что повторное использование всех компонентов космической транспортной системы резко увеличивает ее экономическую эффективность. Резко увеличить экономическую эффективность можно, отказавшись от дорогостоящих сооружений стартового комплекса, обеспечивающего вертикальный старт.
Использование крылатого ЛА в качестве разгонной ступени, выводящей на орбиту ИСЗ крылатый возвращаемый аппарат, может быть достаточно серьезной альтернативой другим проектным проработкам MBKA.
Возможные проектные концепции таких MBKA проиллюстрированы рис. 4.10 и 4.11.

Рис. 4.10. Концепция МВКА с дозвуковым разгонщиком	Рис. 4.11. Концепция МВКА с гиперзвуковым разгонщиком

Пилотируемые или автоматически управляемые двухступенчатые ЛА, состоящие из дозвукового (рис. 4.10) или гиперзвукового (рис. 4.11) самолета-разгонщика (носителя) 1, доставляют орбитальный ЛА 2 в расчетную точку старта с заданной высотой и скоростью полета. Аппараты проектируются под горизонтальный взлет аэрокосмического комплекса и горизонтальную посадку самолета-разгонщика на обычный аэродром, что значительно снижает расходы на его эксплуатацию. Орбитальная ступень 2, отделяясь от самолета- разгонщика, выходит на орбиту ИСЗ и после выполнения полетного задания возвращается на аэродром старта, совершая посадку «по-самолетному». В качестве дозвукового самолета- носителя для таких перспективных многоразовых аэрокосмических систем может быть использован самолет АН-225 «Мрия», основные технические характеристики которого приведены в главе 20. Разработка гиперзвукового разгонщика, как и разработка орбитальных ступеней MBKA следующего поколения, связана с решением множества проблем. Среди них – проблема создания таких аэродинамических форм, которые при приемлемом аэродинамическом нагреве будут обладать гиперзвуковым аэродинамическим качеством K_a » 4, что позволит при возвращении орбитальной ступени с экваториальной орбиты совершать посадку на аэродромах Европейского континента.
Высокая эффективность гиперзвуковых самолетов-разгонщиков может быть обеспечена созданием комбинированных силовых установок, работающих в режиме воздушно-реактивных двигателей (их устройство подробно рассмотрено в главе 14) при полете в атмосфере со скоростями, соответствующими числам М £ 5, а за пределами атмосферы – в режиме ЖРД. Проектировщики, работающие над проектами MBKA следующего поколения, возлагают большие надежды на силовую установку, работающую при выведении MBKA на орбиту искусственного спутника Земли в плотных слоях атмосферы с ожижением атмосферного воздуха, т. е. с наполнением в процессе полета баков MBKA жидким кислородом, что позволяет существенно снизить стартовую массу MBKA.
Гиперзвуковой разгонщик, совершающий полет со скоростями, соответствующими M=10¸12, может быть использован как одноступенчатый пассажирский ВКС, способный совершать полеты на высотах между границами атмосферы и ближним космосом. Перелет на таком самолете из Лондона в Сидней (Австралия) займет 45 мин, а полное время от старта до посадки, включая ожидание в воздухе при подходе к аэродрому посадки, не превысит 70 мин, в то время как продолжительность полета по этому маршруту на современном дозвуковом пассажирском самолете составляет 24 ч.
Создание крылатых ЛА, обеспечивающих работу в околоземном космическом пространстве и в верхних слоях атмосферы с гиперзвуковыми скоростями полета, позволит существенно повысить экономическую эффективность полетов, однако для реализации этих возможностей требуется проведение широкого комплекса научных и проектно- конструкторских исследований, направленных на обеспечение оптимального взаимодействия ЛА с атмосферой при гиперзвуковых скоростях полета.

* * *

Мы уже отмечали, что малая масса ЛА, малое аэродинамическое сопротивление, которое он испытывает в полете, высокая надежность всегда желательны, но получены они могут быть только за счет каких-либо других характеристик ЛА; однако при прочих равных условиях взлетная масса ЛА может служить критерием эффективности при выборе проектного решения.
Поскольку полет основан на преодолении гравитационной силы (силы тяжести), уменьшение массы любой детали, агрегата, системы, ЛА в целом – одна из основных задач, которую решают все специалисты, участвующие в разработке ЛА.
В то же время созданы гигантские ЛА, реализующие различные принципы полета.
Ракетно-космическая система «Сатурн» – «Аполлон», обеспечившая в 1969–1972 годах полеты американских астронавтов на Луну, является самой большой в мире. Трехступенчатая ракета-носитель «Сатурн-5» выводила на окололунную орбиту КК «Аполлон» (масса до 47 000 кг), лунная кабина которого (масса 14 700 кг) с двумя астронавтами на борту совершала посадку на Луну. Стартовая масса системы «Сатурн» – «Аполлон» до 2 950 000 кг, сухая масса (масса без топлива) 180 000 кг, высота системы на старте 110,7 м, диаметр 10,1 м (по лопастям стабилизаторов 19,2 м).
Самым большим жестким дирижаблем было германское пассажирское воздушное судно LZ-130 «Граф Цеппелин II» (1938). Общая мощность четырех дизельных двигателей 3090 кВт. Длина 245,1 м, диаметр 41,1 м, объем 199 981 м³. Масса конструкции 116 000 кг, аэростатическая подъемная сила 2 119 000 Н, полезная аэростатическая подъемная сила 912 300 Н.
Гигантский транспортный планер «Мессершмитт» Ме 321 (Германия, 1941) с размахом крыла 55,24 м имел грузовой отсек (длина 11 м, высота 3,3 м, ширина 3,15 м), способный вместить до 200 экипированных солдат. Взлетная масса 35 000 кг.
Самый большой самолет в мире – Ан-225 «Мрия», разработанный в ОКБ им. О.К. Антонова в 1988 году, является также первым самолетом, рассчитанным на полеты при общей массе, превышающей 600 000 кг. В течение года после первого полета на этом самолете было установлено более 100 новых мировых рекордов грузоподъемности, скорости, высоты и дальности полета.
Экспериментальный двухвинтовой вертолет (1967) поперечной схемы Ми-12 (В-12) ОКБ Генерального конструктора М.Л. Миля - самый большой в мире. Полный размах лопастей двух несущих винтов 67 м, длина фюзеляжа 37 м, мощность каждого из четырех двигателей 4800 кВт. Нормальная взлетная масса вертолета 97 000 кг (максимальная – 105 000 кг), полезная (коммерческая) нагрузка до 40 000 кг.
Приведенные данные, с одной стороны, характеризуют сложность проблем, поставленных в техническом задании на проектирование, а с другой – высокий научно- технический потенциал проектировщиков, сумевших преодолеть огромные гравитационные силы.