Автор: Владимир Мейлицев

КОСМОПЛАНЫ: 1950-е — 1960-е годы

Запустив 15 октября 2003 года космический корабль «Шеньчжоу-1», Китай стал третьей страной в высшем эшелоне космических держав, имеющих собственные средства доставки людей на околоземную орбиту. Это — крупнейшее состоявшееся событие в пилотируемой космонавтике, происшедшее с 12 апреля 1981 года, когда с мыса Канаверал стартовала космическая система принципиально нового типа — многоразовый транспортный корабль «Колумбия». Таких фундаментальных событий можно насчитать не так уж много — это первые полеты Юрия Гагарина и Алана Шепарда, первый выход в открытый космос Алексея Леонова, первая стыковка в космосе, высадка людей на Луне… Пожалуй, всё.
Но сегодня уже можно с уверенностью сказать, что в близкие годы нас ждет еще одно событие такого же порядка. Традиционные лидеры, Россия и США, окончательно встали на путь смены поколений пилотируемой космической техники.

Каким же оно будет, это новое поколение? Какими кораблями заменит Америка свои космические челноки — самые «продвинутые» из всех пилотируемых аппаратов, эксплуатирующихся в настоящий момент? Какими будут наследники концептуально устаревших, но надежных и недорогих «Союзов»?

Упрощенно понимаемая логика технического прогресса предполагает, что это должно быть что-то более совершенное, более авангардное, чем американские шаттлы — взлетающие вертикально, с невозвращаемым огромным топливным баком, исключительно сложные и дорогие в обслуживании. То есть что-то полностью многоразовое, маневрирующее, экономически эффективное и простое в эксплуатации. Ведь путь развития — только вперед…

Но здесь, как и в большинстве других жизненных ситуаций, при ближайшем рассмотрении всё оказывается далеко не так просто и однозначно.

НАЧАЛО. КАПСУЛА ИЛИ КОСМОПЛАН?

Первые шаги человека в космосе были сделаны на кораблях «Восток» и «Меркьюри». Эти аппараты представляли собой капсулы в форме тел вращения с очень ограниченным аэродинамическим качеством, что предопределяло их спуск по баллистической кривой с использованием парашютов на заключительных этапах снижения. Однако они были не единственным и даже не первым решением, пришедшим в голову конструкторам, приступившим в 1950-х годах к реализации задачи вывода человека в космос.

Идея планирующего спуска из заатмосферных высей появилась намного раньше, чем могли быть начаты практические работы по космическим ракетным системам. Так, в июне 1924 года российский инженер Фридрих Цандер подал в Комитет по делам изобретений Совета народных комиссаров СССР заявку на конструкцию аэрокосмического самолета. Такие же схемы прорабатывал Вернер фон Браун, всегда думавший о космических полетах - и получивший возможность заниматься ими после войны в Соединенных Штатах. Например, в его проекте 1949 года две ступени ракеты-носителя разгоняли крылатую третью — орбитальную — ступень. Да и Сергей Королев еще в 1957 году считал парашютную посадку бесперспективной, а правильной — планирующую с использованием аэродинамической подъемной силы.

Вообще, трудно себе представить, чтобы основоположникам космонавтики с самого начала мечталось о том, что покорителя Вселенной будут попросту сбрасывать с орбиты, как мешок с сухарями для терпящих бедствие рыбаков. Космос — мечта человечества, его великий прорыв; возвращение оттуда должно было мыслиться красивым и торжественным. На этапе оценки общих инженерных подходов тоже вряд ли их мог вдохновлять парашют, который, с точки зрения пилота или авиаконструктора, обычно является средством аварийного спасения, иногда — оснащением для специальных операций или каких-то вспомогательных функций, но не основой штатного применения летающей техники! Наконец, уже с чисто практической точки зрения преимущества управляемого аэродинамического спуска более чем очевидны.

После запуска первого спутника в октябре 1957 года по обе стороны океана стало ясно, что следующим рубежом в космической гонке будет полет обитаемого аппарата. И надо было принимать решения, которые позволили бы опередить соперника.

В Соединенных Штатах этой задачей вплотную занялось Национальное управление по аэронавтике и исследованию космоса — НАСА, образованное 29 июля 1958 года. К этому времени наиболее зрелым был проект Военно-воздушных сил, получивший обозначение «7969». В этом проекте, наряду с несколькими вариантами конических, полусферических и сферических капсул, присутствовал ряд «самолетных» схем.

Например, компания «Норт Америкен» предлагала использовать в качестве корабля-спутника облегченную модификацию своего знаменитого гипрезвукового исследовательского ракетоплана Х-15. Интересно то, что разгонной ступенью для этой крылатой машины должна была послужить крылатая же боевая многоступенчатая ракета «Навахо», которой предстояло доставить Х-15 на эллиптическую орбиту с высотой апогея 120 км.

Орбитальный Х-15В должен был весить 4,5 тонны. Ряд других «самолетных» проектов, выдвинутых известными авиастроительными фирмами, представляли собой конструкции меньшего веса с треугольным крылом. Выводить их на орбиту предстояло различным сочетаниям ступеней баллистических ракет «Минитмен», «Поларис», «Джумбо», «Титан» — словом, почти всего, что было на тот момент в распоряжении американских разработчиков.

Однако всё это было слишком сложно, а главная идея космической активности в тот момент формулировалась так: запустить человека в космос как можно быстрее. При такой постановке задачи все «опции» — боковой маневр, уменьшение перегрузок, повторное использование, какие-то боевые или исследовательские задачи — всё было принесено в жертву срокам готовности системы. Абсолютно необходимым было одно: обеспечить выживание пилота во время спуска аппарата с орбиты.

Так и в СССР, и в США определился облик спускаемых аппаратов первого поколения космических кораблей. Ими стали одноразовые осесимметричные капсулы с испаряющимся термозащитным покрытием, с парашютной посадкой и без каких-либо органов аэродинамического управления. Такими были советские «Восток», «Восход» и «Союз» со всеми его модификациями; американские «Меркьюри», «Джемини» и «Аполло».

Время подтвердило правильность принятых тогда решений. Дополненные по результатам печального опыта системой аварийного спасения на старте, эти корабли верой и правдой несли свою службу в течение десятилетий, а российские — до сих пор.

Однако понимание ограниченности возможностей баллистических аппаратов никуда не ушло, и проработка более перспективных крылатых схем продолжалась.

Какие задачи могли ставиться перед создателями космической техники в те годы — в самый острый период «холодной войны», когда еще казалось, что можно достичь решающего военного преимущества над «потенциальным противником»? Конечно, военные. Причем даже не преимущественно, а исключительно военные.

Космоплан, в понимании 1950-х годов, должен был обладать способностью выйти на орбиту, осмотреть или уничтожить спутник врага, сфотографировать объекты на Земле, нанести по ним удар из космоса или с недостижимых для другой техники атмосферных высот, иногда — сбить такого же противника. Совсем как какой-нибудь тактический истребитель, тот же «Фантом», который в разных модификациях играет роль перехватчика, бомбардировщика или разведчика.

При этом задача разведки, и в первую очередь фотографической, была наиболее очевидной. Сбивать вражьи спутники, бомбить старты МБР пришлось бы в «горячей войне» сверхдержав, которой, как известно, до сих пор так и не было. А вот добывать информацию о противнике принято и в самое что ни на есть мирное время.

Конечно, фотокамеры быстро заняли свое место на «обычных» аппаратах. Так, первый советский разведывательный спутник был модификацией корабля «Восток» и конструировался одновременно с ним.

Технические трудности при этом были «в пределах разумного», однако возникали две серьезные тактические проблемы.

Во-первых, время жизни аппаратов конца 1950-х — начала 1960-х годов измерялось месяцами, что обусловливалось в первую очередь недостаточным совершенством солнечных батарей.

Во-вторых, доставка отснятых пленок на Землю в первые годы была возможна только в сбрасываемых капсулах — малогабаритной преобразовательной и передающей электроники тогда еще не было. Это диктовало очень неприятное тактическое ограничение: для получения информации надо было ждать, пока проекция орбиты спутника-разведчика пройдет через свою территорию, и можно будет сбросить капсулу; а потом еще искать, куда ее «занесла баллистическая кривая». И, конечно, на борту спутника ограниченных размеров не могло быть ни значительного запаса пленки, ни, тем более, большого числа капсул. Что, кроме снижения оперативности получения данных, было еще одним фактором малого времени активного существования аппарата.

Ясно, что тут очень пригодился бы космический самолет. Ему не нужны солнечные батареи, так как после посадки можно зарядить или сменить бортовые химические источники электричества. Он сразу привезет отснятые кадры туда, где его ждут. «Перезарядится» и опять уйдет на задание.

Кроме того, у воздушно-космического самолета (ВКС) есть и другие преимущественные возможности.

Чтобы попасть на нужную орбиту, при запуске «традиционного» спутника приходится ждать, пока ее плоскость пройдет через точку старта. Если что-то не получилось, следующий момент для нажатия на кнопку «Пуск» наступает только через 12 часов. Любая коррекция орбиты, на которую такой спутник выведен носителем, требует расхода бортового запаса топлива, а он, если и есть вообще, то весьма и весьма ограничен. Крылатый же аппарат может быть запущен и с опережением момента прохождения плоскости орбиты через точку старта, и «вдогонку за орбитой». В нужной точке, находясь еще в верхних слоях атмосферы, он может совершить доворот за счет аэродинамической подъемной силы, совместив текущую плоскость своей траектории с плоскостью целевой орбиты. При этом, конечно, происходит потеря энергии, но не очень значительная и вполне поддающаяся расчетам, то есть предвидимая и компенсируемая.

От ВКСов ожидали значительного улучшение оперативной готовности — аппарат должен был быстро взлетать после получения команды. Это могло быть достигнуто, если бы к ВКСам удалось применить «самолетные» принципы эксплуатации, на что очень рассчитывали в те годы и продолжают рассчитывать до сих пор.

ВКСы с самого начала мыслились как многоразовые, прежде всего по той понятной причине, что такую сложную систему жалко терять при каждом пуске и накладно производить в больших количествах. А многоразовый аппарат можно к тому же переоборудовать — например, заменить фотоаппаратуру на комплекс радиотехнической разведки. Его можно ремонтировать, если неисправность не привела сразу к его потере; наличие пилота и возможность маневрирования уменьшает риск захвата его противником при нештатных ситуациях или намеренных действиях.

Об «истребительно-бомбардировочном» потенциале маневрирующего космоплана мы уже упоминали.

ПАМЯТИ «ДАЙНА СОР»

Эти соображения и определили облик космической системы с многоразовой аэродинамической орбитальной ступенью. Это должен был быть маленький ракетоплан, выводимый на орбиту ракетой-носителем, созданной на базе какой-то из существующих боевых МБР (поскольку задача уменьшения до минут времени готовности к старту уже была одной из основных для разработчиков таких ракет).

В Соединенных Штатах первой относительно далеко зашедшей попыткой создания многоразового ВКСа стала совместная программа ВВС и НАСА «Дайна Сор» — по-английски Dyna-Soar, от Dynamic Soaring, что обычно переводится как «разгон и планирование». Началась она еще в 1957 году, а в 1959-м из множества компаний, принявших участие в конкурсе, основным подрядчиком была выбрана фирма «Боинг». Ее проект представлял собой аппарат в целом самолетной конструкции — «бесхвостка» с выраженным фюзеляжем, крылом и вертикальными стабилизаторами.

По первоначальным планам первое испытание со сбросом в атмосфере должно было пройти в 1963 году, первый беспилотный выход на орбиту — в шестьдесят четвёртом, а первый пилотируемый — в шестьдесят пятом.

Достижение целей планировалось в три «шага»: гиперзвуковой исследовательский самолет со скоростью до 22700 км/ч и высотностью до 52 км; сверхвысотный разведчик с дальностью около 20 тыс. км; разведчик-бомбардировщик, способный к орбитальному полету.

Программа неоднократно модифицировалась. В состав тактических требований вводились задачи противовоздушной и противоспутниковой обороны, снабжение орбитальных станций. Рассматривался вариант с выходом на орбиту вместе с последней ступенью ракеты-носителя — так можно было уходить с первоначальной орбиты на более высокие или с другим наклонением. В части вооружения ракетоплан «третьего шага» должен был оснащаться управляемыми ракетами класса «космос-космос», «космос-воздух» и «космос-Земля», а также обычными бомбами.

11 декабря 1959 года был подписан контракт, предполагавший постройку десяти аппаратов. Ввод системы со всеми боевыми средствами в штатную эксплуатацию планировался на конец 1971 года.

Было проработано множество технических проблем — от аэродинамики до создания термозащитных сплавов и композитов, способных выдержать высочайшие температуры во время спуска в атмосфере — до 2370°С на отдельных участках конструкции. Многое из этого потом использовалось в работах по других космических программам.

В сентябре 1962 года на рассмотрение ВВС и НАСА был представлен полноразмерный макет «Дайна Сор». Его фюзеляж длиной 10, 77 м и базовым диаметром 1, 6 м имел слегка приподнятый и закругленный нос. Объем одноместной кабины составлял 3, 5 кв. м.; катапультное кресло позволяло покинуть аппарат лишь на дозвуковых скоростях. В отсеке за кабиной пилота можно было перевозить 454 кг (1000 фунтов) полезного груза. Посадка производилась при помощи шасси из трех убираемых стоек с полозьями.

Дельтавидное крыло имело размах 6, 22 м, на концах его устанавливались вертикальные стабилизаторы. Максимальный взлетный вес равнялся 5165 кг. Собственного двигателя аппарат не имел, для его запусков планировалось использовать разные модификации ракеты «Титан» — от «Титан» I на этапе суборбитальных испытаний до «Титан» IIIС для боевых орбитальных миссий.

Однако, несмотря на то, что десяти заказанным «Дайна Сорам» в 1960-м были даже присвоены бортовые номера ВВС, ни одного полета, даже дозвукового, по этой программе не состоялось.

19 мая 1961 года Отдел космических систем Военно-воздушных сил объявил собственную пилотируемую программу «Satellite Inspеrctor» («Спутник-Инспектор»), сокращенно SAINT («Святой»). В ней должен был задействоваться двухместный аппарат, сконструированный по другой концепции — «несущий корпус». Если учесть, что по соглашению от 14 ноября 1958 года финансирование программы и управление ею закреплялось за ВВС, а НАСА лишь обеспечивало научное консультирование и техническую поддержку, то становится ясно, что с этого момента прогноз дальнейшего развития программы «Дайна Сор» становился пессимистическим.

В феврале 1962 года министр обороны США Роберт Макнамара провел последнее изменение программы, переведя ее в разряд исследовательских. Прототипу ракетоплана был присвоен индекс Х-20, а задачи были ограничены подтверждением возможности атмосферного маневрирования и посадки в заданной точке. Однако и это не спасло программу: в декабре 1963 года тот же Макнамара переадресовал ее финансирование программе «Пилотируемой орбитальной лаборатории» — «Manned Orbiting Laboratory», MOL, — которая, впрочем, тоже была впоследствии отменена.

В момент закрытия до первого полета Х-20 оставалось три года. Чтобы он состоялся, нужно было затратить 373 млн. долларов — в дополнение к тем 410 млн, которые уже были израсходованы на научные исследования и конструкторские проработки.

Сегодня макет ракетоплана «Дайна Сор» стоит в музее американских ВВС в городе Дайтон, штат Огайо.

АМЕРИКАНСКИЕ «НЕСУЩИЕ КОРПУСА»

Х-20 так и не поднялся в воздух, но уверенность в перспективности космических самолетов от этого не угасла. Работы по ним продолжались, правда, уже не с с прицелом на создание конкретной боевой ракетно-космической системы, а в рамках более ограниченных исследовательских программ. По ним в 1960-х — начале 1970-х годов в США был создан целый ряд экспериментальных машин, выполненных по схеме «несущий корпус».

Фирма «Нортроп» вела работы над аппаратами серии М-2. Первый из них, M-2/F-1 был просто деревянным планером, испытывавшимся в полетах на буксире за транспортником С-47 (военный вариант всемирно известной «Дакоты», Дуглас DC-3, выпускавшейся в СССР под обозначением Ли-2).

На M-2/F-2 уже устанавливался жидкостный ракетный двигатель тягой 2, 7 тонны. Машина весом 2, 5 тонны, поднималась на высоту 14 км бомбардировщиком В-52 и после сброса совершала полет с горизонтальной посадкой на аэродром. Первый полет, планирующий, состоялся 2 июля 1966 года. Включить двигатель в воздухе на M-2/F-2 так и не пришлось, потому что в мае 1967-го, во время очередного такого же полета, аппарат потерпел аварию при посадке. Выяснить, сможет ли он достичь расчетных 24 400 м высоты и 2200 км/ч скорости, так и не удалось, так как предпочли построить следующий образец — M-2/F-3.

Этому повезло больше. В 1970 — 1972 годах он совершил 43 полета, в ходе которых были достигнуты показатели: скорость М = 1, 6 и потолок 21 800 м. Длина аппарата составляла 6, 8 м, максимальный диаметр — 2, 9 м, полная масса 3, 6 тонны. Двигатель на M-2/F-3 стоял тот же, что и на его предшественнике — ЖРД XLR-11 с тягой 2700 кг.

Параллельно тот же «Нортроп» построил и испытывал другой «несущий корпус» — HL-10 (HL — Horizontal Lander, «садящийся горизонтально». Он несколько отличался от М-2 — имел вертикальный стабилизатор в дополнение к поднятым законцовкам маленького крыла (М-2 обходился только законцовками); кабина пилота была сдвинута до предела в носовую часть, которая, в свою очередь, вместе со всей нижней поверхностью фюзеляжа, заметно отличалась от форм М-2. По габаритам «Лэндер» не сильно разнился с М-2, но вследствие другой формы своего несущего корпуса имел максимальный диаметр последнего 4, 6 м.

HL-10 начал испытываться одновременно с полетами аппаратов серии М-2, и даже раньше, чем M-2/F-3. В течение 1970 — 1972 годов провели 37 полетов, при этом результаты были достигнуты более высокие, чем у «собрата»: высота 27 700 м, скорость М = 1, 87.

Обе программы шли под эгидой НАСА, и обе были примерно в одно и то же время закрыты в связи с сокращением финансирования. Оно и понятно: в 1972 году отделение «Спейс Дивижн» компании «Норт Америкен Рокуэл» получило шестилетний контракт суммой 2, 6 млрд долларов на разработку — в качестве головной организации — космической транспортной системы «Спейс Шаттл»…

Последним из летавших в «дошаттловскую» эпоху американских ракетопланов стал Х-24, работы по которому велись под контролем ВВС в соответствии с их программой «START» — Spacecraft Technology and Advanced Reentry Programm. Лидером программы удалось стать фирме «Мартин-Мариэтта», которая предложила свой проект SV-5 — космическое такси для маршрута Земля — орбитальная станция — Земля.

В 1960-х годах американское космическое руководство очень увлекалось идеей долговременной космической станции. И задачи перед разработчиками перспективных средств доставки ставились совершенно такие же, как сегодня, в эпоху Международной космической станции: смена экипажей, снабжение, спасение. Специфика «будней холодной войны» добавляла еще одну — «инспекцию» космических объектов противника. А вот разведка и бомбардировка наземных целей, в отличие от программы «Дайна Сор», цели которой формулировались в 1950-х, практически более не декларировались. Видимо, пришли к выводу, что с такой работой достаточно хорошо справятся соответственно разведывательные спутники и баллистические ракеты всех видов базирования.

SV-5 тоже был «несущим корпусом» со сферической носовой оконечностью и тремя вертикальными стабилизаторами — в центре на фюзеляже и на концах крыла малого удлинения. В термозащите предусматривалось местное применение абляционных покрытий. Кроме обычных аэродинамических вертикальных рулей и щитков-элевонов, в управлении задействовались реактивные рулевые сопла.

Нельзя сказать, чтобы «хозяин» программы — Военно-воздушные силы США — ограничивали себя лишь ее исследовательским назначением. В перспективе виделась система с самолетом-носителем, каким-то разгонным блоком и орбитальным самолетом на базе SV-5. После выполнения задания в космосе ВКС должен был тормозиться с аэродинамическим качеством на гиперзвуковой скорости 1, 2 — 1, 4, затем маневрировать на планировании со скоростью М = 2 при аэродинамическом качестве 3, 1 — 3, 5, а затем приземляться со скоростью 260 — 390 км/ч

После нескольких суборбитальных запусков небольших моделей в воздух ушел вариант SV-5P, получивший «насовский» индекс Х-24А. Длина — 7, 46 м, полный диаметр — 4, 19 м, высота 3, 14 м, масса 4990 кг (по другим данным, 5352 кг), тяга ЖРД — 3845 кг. В 28 полетах с подвески В-52, проведенных с апреля 1969 года по июнь 1971-го, удалось достичь максимальной скорости М = 1, 6 и высоты 21 800 м.

С учетом данных, полученных на Х-24А, был построен аппарат Х-24В, основным внешним отличием которого стала длинная заостренная носовая часть. Х-24В был более похож на самолет, чем его прямой предшественник и машины серии М-2, которые напоминают скорее сплющенную каплю с отростками вертикальных килей. Определить, где у них кончается фюзеляж и начинается крыло, почти невозможно. За это их и называют «несущими корпусами», и для характеристики их поперечного размера используют понятие «максимальный», или «полный» диаметр. В случае же Х-24В можно говорить об обыкновенном «размахе крыла».

Эта машина рассматривалась как прототип двух летательных аппаратов. Один из них — гиперзвуковой самолет с воздушно-реактивными двигателями, способный летать в плотных слоях атмосферы с числом М = 8 — 12 (всё же бомбардировщик будущего?); другой — высокоманевренный планер для транспортных операций между Землей и орбитальной станцией.

Х-24В был заметно больше, чем Х-24А — длина 11, 53 м, размах 5, 84 м, полетная масса 6258 кг (по другим данным, 5897 кг), высота 2, 16 м. Крыло имело двойную стреловидность по передней кромке (72° / 78°), ЖРД развивал 4444 кг тяги. В целом аэродинамика и силовая установка Х-24В могли обеспечить полеты со скоростями порядка М = 4 — 5, но конкретный изготовленный экземпляр аппарата был обшит алюминием, что, по соображениям кинетического нагрева, не позволяло выходить и на М = 2.

Конечно, можно было сделать следующий экземпляр с подобающей обшивкой. Но к моменту начала испытаний Х-24 выбор был уже практически сделан: президент Никсон решил отказаться от развертывания обитаемой орбитальной станции, сосредоточив усилия на программе большого многоразового транспортного корабля. В бюджете НАСА на 1974/75 финансовый год на эту тему выделялось 797, 5 млн долларов — вчетверо больше, чем двумя годами раньше, когда Х-24В начинал летать (первый полет — 1 августа 1973 года)…

Так что по Х-24В даже не была закончена программа исследований первого экземпляра. Соответственно, отложен был и проект космической системы вертикального старта, в которой Х-24 должен был выводиться на орбиту носителем «Титан» III.

Свою последнюю посадку Х-24В совершил 26 ноября 1975 года; всего состоялось 64 полета, достигнута скорость М = 1, 76 и высота 22 400 м.

СОВЕТСКИЕ ПРОЕКТЫ ВЕРТИКАЛЬНОГО СТАРТА

Как можно видеть, работы по малым космопланам с выводом на одноразовых носителях велись в США «вполне всерьез». В СССР они тоже велись, хотя и с намного меньшим размахом.

Как уже говорилось, Королев для спуска с орбиты поначалу отдавал предпочтение идее маневрирующего аппарата, располагающего относительно высоким аэродинамическим качеством. Этой проблематикой занималось одно из подразделений его собственного КБ; кроме того, он инициировал исследовательские проработки по таким аппаратам в конструкторских бюро Владимира Мясищева и Павла Цыбина. Результаты, полученные при расчетах по этим темам, и привели Королева к выводу о том, что сложностей здесь значительно больше, чем казалось на первый взгляд. И, поскольку времени и сил на преодоление этих сложностей в условиях соревнования с США не было, Гагарин возвращался с орбиты в спускаемом аппарате, имеющем форму правильного шара.

Тем не менее, работы по космопланам, выводимым на орбиту традиционными ракетами-носителями, продолжались. С определенного момента они стали рассматриваться как «симметричный ответ» на программу «Дайна Сор». Был у нас еще и «несимметричный», значительно дальше продвинувшийся по пути воплощения в металл; но логика изложения вынуждает поговорить о нем позже.

Павел Цыбин проектировал очень интересную конструкцию, которую Королев называл «Лапоток». В соответствии с эскизным проектом 1959 года, аппарат должен был иметь несущий корпус характерной формы и складывающееся крыло. На больших высотах торможение и ограниченное маневрирование осуществлялось за счет аэродинамики корпуса, а на 20 км высоты раскладывались крылья. Особенностью проекта был металлический теплозащитный экран, монтируемый на расстоянии 100 мм от дна фюзеляжа.

Мясищев с 1958 года разрабатывал маленький исследовательский аппарат М-46, который предназначался для использования с королевской Р-7. Позже, после того, как в состав его КБ вошел коллектив Цыбина, был предложен проект уже более крупного космоплана М-48 в версиях 1959 и 1960 года, сильно отличавшихся друг от друга. М-48 должен был выводить полезный груз до 700 кг на орбиту высотой до 500 км. Носитель — всё та же Р-7, ничего другого у нас тогда не было. Управляемый спуск начинался с высоты 40 км, при этом достигалась величина бокового маневра 100 км.

Задача создания ракетоплана — в 1950-е годы у нас это был официальный термин — вдохновила и патриарха отечественной авиации Андрея Николаевича Туполева. С 1957 года в его КБ велись работы по теме «Звезда». Аппарат назывался Ту-136, основой для его проектирования стал опыт, полученный при разработке беспилотного планирующего самолета Ту-130. Последний фактически был головной частью боевой баллистической ракеты. Благодаря тому, что его клиновидный фюзеляж и небольшое крыло обеспечивали создание подъемной силы, он позволял резко увеличить дальность стрельбы всей ракетной системы по сравнению с обычными ГЧ баллистического падения. При этом Ту-130 рассчитывался на скорость М = 10, что было уже приближением к области скоростей воздушно-космического самолета.

Туполевская программа отличалась хорошей продуманностью, четким поэтапным планом — от твердотопливных моделей со скоростями до 2, 5 км/с до одновиткового космоплана с почти космической скоростью 7, 92 км/с.

Наконец, в 1960 году в тему вошел Владимир Челомей, чья организация к тому времени обогатилась коллективами Мясищева и Цыбина. Он тоже «расписал» многоэтапную программу «нашего ответа «Дайна Сору». В плане были маневрирующие спутники для разведки и инспекции космических объектов противника. Поначалу это были конические гиперзвуковые капсулы с аэродинамическими поверхностями для управления на атмосферном участке спуска. В 1963 году, когда в его КБ был сделан проект мощного носителя УР-500 («Протон»), эта линейка пополнилась крылатым космопланом. Проекты Челомея подразумевали наличие собственных двигателей для маневрирования в космосе и схода с орбиты, а также оружия «космос-космос».

Все отечественные проекты ракетопланов того периода остались на бумаге, за исключением первых прототипов Челомея. В 1961 году ушел в космос на ракете Р-12 конус весом 1, 75 т с восемью аэродинамическими щитками. Ему удалось на собственных двигателях достичь высоты 405 км, начиная с тех 200 км, куда его доставил носитель. Он совершил посадку на парашюте, но оказался поврежденным при входе в атмосферу. Через два года был испытан похожий аппарат, только с числом щитков, уменьшенным до четырех.

В следующем году Челомей показал командованию ВВС проекты ракетопланов со складным крылом — беспилотного 6, 3-тонного Р-1 и пилотируемого 8-тонного Р-2. Но в том же году был снят со своих должностей Н. С. Хрущев, и крылатым орбитерам Челомея пришлось остаться на бумаге…

ВЫВОДЫ

Ни один из описанных крылатых аппаратов так и не вышел на орбиту. Летавшим американским прообразам не удалось достичь и двух «махов», из советских вообще ни один не был изготовлен даже в виде прообраза. Однако нельзя сказать, что все эти программы и проекты были пустой тратой сил и денег. Все они, и те, которые были прекращены на стадии расчетов и модельных экспериментов, и те, для которых понадобились летчики-испытатели, — все они в большей или меньшей степени дали материал, определенно полезный для будущего.

В этой статье я намеренно рассматривал только один вариант космических систем — те, в которых интересующая нас многоразовая аэродинамическая орбитальная ступень выводится в космос классической ракетой-носителем. А сама эта ступень представляет собой фактически гиперзвуковой планер — аппарат, способный развивать аэродинамическую подъемную силу и не имеющей «главной», маршевой двигательной установки.

При всей несомненной сложности, при разработке такого аппарата не приходится решать одну из фундаментальных задач космического полета — задачу достижения орбитальной скорости. Это делает ракета-носитель при выведении. Говоря в высшей степени условно, конструктору остается «сделать полдела» — погасить эту скорость при спуске с орбиты. Неудивительно, что среди всех мыслимых вариантов многоразовой космической системы именно такой — ракета плюс космоплан — был выбран для первых попыток практической реализации и в США, и в СССР.

Основной проблемой, которую необходимо решить в этом случае, является проблема кинетического нагрева конструкции. Есть, конечно, и другие, от устойчивости и управляемости до обеспечения работы радиосредств, но эта — самая острая и, как правило, наименее знакомая конструктору-»самолетчику».

В принципе противостоять нагреву аппарата из-за трения о воздух на больших скоростях можно двумя путями. Надо, насколько возможно, ограничить этот разогрев, а дальше защищать конструкцию от того, что осталось после ограничения.

Задача ограничения кинетического нагрева, в свою очередь, решается несколькими способами. Один из основных — выбор наилучших с этой точки зрения режимов полета — дальности и времени планирования, высотно-скоростного профиля, углов атаки, перегрузок. Здесь, как и везде в технике, идет многотрудный поиск компромисса. Если увеличить угол атаки, торможение пройдет быстрее, но температура потока при этом будет в общем случае выше. Пологая траектория спуска может позволить уменьшить скорость движения и, соответственно, нагрев за единицу времени, но само время «прогревания» будет больше.

Другим способом является оптимизация формы аппарата — разумеется, настолько, насколько это допускает аэродинамика. Здесь первичны всё же заданные характеристики аэродинамического качества, устойчивости и управляемости на всех режимах и т. п. — иначе космоплан просто не сможет нормально летать. Но внутри этих пределов можно менять взаиморасположение частей, оформление стыков и кромок, очертания поверхностей и объемов…

Один из «ходов» на этом пути, притом довольно решительный, сделал Павел Цыбин в своем «Лапотке», а если официально, в проекте ПКА — планирующий космический аппарат. Речь идет о консолях крыла, которые при входе в плотные слои, когда скорость наиболее высока, находятся в сложенном, почти вертикальном, положении.

При гашении огромной скорости в верхних слоях атмосферы корабль принимает очень большой угол атаки, как бы подставляя набегающему потоку всю свою нижнюю поверхность — и фюзеляжа, и крыла. Фиксированное крыло на этом этапе должно принимать на себя все возникающие нагрузки, как механические, так и тепловые (последние возникают из-за того, что кинетическая энергия набегающего потока при его торможении поверхностями аппарата превращается в тепло).

Складывание убивает сразу несколько зайцев. Во-первых, крыло можно сделать более легким, так как ему не приходится воспринимать огромную механическую нагрузку при гиперзвуковом полете на больших углах атаки. Во-вторых, облегчаются требования к его термозащите, так как в сложенном положении встречный поток практически скользит по его поверхности. Мощный эффект его торможения возникает только на передних кромках, которые всё равно приходится защищать в любой конструкции сверхскоростного летательного аппарата. Наконец, в-третьих, сложенное крыло в известной степени экранирует боковые поверхности фюзеляжа.

В этой схеме основная часть тепловой нагрузки приходится на днище фюзеляжа, а оно, как мы помним, защищено у Цыбина отдельным теплозащитным экраном, установленным не прямо на конструкцию днища, а с зазором в 100 мм.

Конечно, у этой схемы есть и недостатки, и главный из них состоит в наличии механизма поворота крыла. Масса этого механизма может не только снизить полезный эффект от облегчения конструкции крыла, но и превзойти весь полученный на этом весовой выигрыш. Кроме того, в аппарате появляется еще один узел, надежность которого критически влияет на безопасность полета.

Но и такое удачное, казалось бы, решение, как поворот крыла, не всегда бывает верным. При продувках моделей ПКА, проводившихся в ЦАГИ (Центральный аэрогидродинамический институт — один из главных научно-исследовательских, экспериментальных и расчетных центров авиакосмической отрасли СССР и Российской Федерации), оказалось, что на самом напряженном участке спуска шарнир поворота крыла находится в зоне, где подвод тепла максимален, а отвод почти полностью отсутствует. Выяснилось также, что тепловые нагрузки на донный экран значительно превосходят расчетные величины, и выбранный материал экрана их не выдержит.

Тогда же было установлено, что допуски на возможное пространственное положение аппарата при планирующем спуске должны быть крайне жесткими. В том, что удастся обеспечить необходимую точность ориентации при помощи существовавших тогда приборов, уверенности не было. Исследования моделей ПКА сыграли немалую роль в «развороте» Королева в сторону баллистического спускаемого аппарата…

Не следует, однако, думать, что суть всего, что было достигнуто, сводится к выявлению сложностей и примерной оценке их масштаба. В работах по первому поколению ракетопланов были получены многочисленные результаты позитивного характера. Причем они появляются уже на ранних стадиях разработки, когда уточняются возможные сценарии полета, просчитываются необходимые величины аэродинамических коэффициентов, делаются первые анализы возможных форм аппарата и его частей, первые наброски узлов конструкции.

Американцы, чьи финансовые ресурсы и амбиции позволили провести не только разработки, но и летные эксперименты на прототипах, несомненно, получили огромный объем данных для всех своих последующих разработок, в том числе и тех, которые проводятся в наши дни. Кроме того, уже в ходе первой большой программы — «Дайна Сор» — было разработано множество материалов для работы в горячей окружающей среде. Здесь были и те, что сохраняют прочность при нагреве до многих сотен градусов — такие, как сплавы молибдена, — и те, которые обеспечивают термоизоляцию при температурах в тысячи градусов — армированный графит, ниобиевая металлокерамика, стекловолоконный войлок. Некоторые из них нашли широкое применение в самых разных областях техники. Была даже разработана теплозащита типа «водяной стенки», которая использовала скрытую теплоту испарения для рассеивания тепла между внутренними и внешними оболочками; правда от нее отказались.

Термозащитное покрытие «Бурана» из пенокерамических плиток на клеевой прослойки тоже «родом» из начала 1960-х — его предложили специалисты КБ Владимира Михайловича Мясищева совместно со специалистами ВИАМа (Всесоюзный институт авиационного материаловедения) в ходе работ по проекту изделия М-48. Они разработали и способ установки этих плиток, отличающихся большой хрупкостью, в виде жестких плат, включенных в конструкцию крыла (иначе при деформациях последнего плитки разрушались). Так впоследствии было сделано и на «Буране», и на шаттлах.

А идея складного крыла Павла Цыбина была вскорости применена на орбитальной ступени воздушно-космической системы «Спираль». Работам по этой трехступенчатой системе с гиперзвуковым самолетом-разгонщиком суждено было продвинуться значительно дальше, чем любому из советских проектов, описанных здесь. Мы уже писали о «Спирали» в апрельском номере «Спецназа России». Тем не менее, нам придется вернуться к ней, так как дальше речь пойдет о проектах систем горизонтального старта, предшествовавших по времени созданию пилотируемых орбитальных грузовиков «Спейс Шаттл» и «Буран».