Вариант "Энергия-2" или ГК-175

     Любая ракетно-космическая транспортная система многоразового применения в своей структуре, в отличие от одноразовой ракеты, несет обязательные средства обеспечения возврата с орбиты или траектории выведения на орбиту. Эти средства составляют ощутимую часть стартовой массы носителя и по существу являются чистой энергетической потерей. Например, "Энергия" в исполнении как одноразовая ракета-носитель - без орбитального корабля и без части средств обеспечения посадки на Землю блоков первой ступени - может выносить на опорную орбиту более 100 т полезного груза. При тех же условиях, но с орбитальным кораблем, на орбите может быть выгружено только 30 т, т. е. на 70 % меньше. Эти расчеты, естественно, примитивны, но они показывают, какую часть своей энергетики тратит ракета-носитель даже в не полностью многоразовом исполнении. Однако следует и уточнить, что к потерям в данном случае отнесены и средства обеспечения пилотируемого полета корабля, в том числе системы безопасности и сам экипаж. Значительные энергетические потери такой интегрированной системы по целевому назначению, когда объединены функции грузового и пилотируемого транспорта, влекут за собой достаточно высокую ее стоимость. Оставив целью все же создание многоразовой системы, мы сталкиваемся с проблемой оптимального разделения функций ракеты-носителя на грузовые и пилотируемые.
     Мнение со страниц нашей печати. "В США этот корабль создавался не под программу, а как самоцель, и сейчас используется в основном лишь для вывода на орбиту космических аппаратов. Но такую задачу целесообразно решать с помощью беспилотных транспортных средств. В противном случае относительная стоимость доставки грузов в космос возрастает за счет необходимости одновременного запуска экипажа и системы его жизнеобеспечения. Это обстоятельство, большой объем регламентных работ, а главное - систематическая недогрузка "Шаттлов", стали причиной резкого удорожания космических операций. Стоимости вывода на орбиту одного килограмм полезных нагрузок достигла 6-8 тыс. долл.
     Корабли серии "Спейс Шаттл" не могут возвращать на Землю и искусственные спутники, находящиеся на высоких орбитах. Для этого требуется создать другое, межорбитальное транспортное средство. Да и зачем ремонтировать их: на Земле, когда это можно сделать в космосе. "Шаттлу" нечего возвращать с орбиты.
     Дооснащение больших объектов можно делать на рабочих орбитах или в специальных модулях. Нечего оттуда возить втридорога. Гораздо практичнее направить средства на совершенствование самой космической аппаратуры. Пока наши спутники связи работают в 2-3 раза меньше, чем американские. Если бы довести срок их службы до пяти-десяти лет, связь у нас была бы неузнаваемой...
     Наиболее эффективным, с экономической точки зрения, режимом полета многоразового корабля считается такой, когда корабль отправляется на орбиту полностью загруженным и загруженным же возвращается на Землю. Любая недогрузка приводит к повышению удельной стоимости космических операций. Следовательно, конструктивные особенности корабля должны определяться сущностью соответствующей космической программы. Если она такова, что на орбиту и обратно нужно доставлять малые массы полезных нагрузок, то нынешний "Шаттл" оказывается избыточным, если большие, то он уже может быть достаточным."
     Что же - справедливо.

     Тенденция выделения пилотируемых воздушно-космических транспортов в самостоятельное направление существует. Пилотируемые операции должны быть связаны только с доставкой на орбиту экипажа, с целью обеспечения специфичных работ в космосе - сборки, профилактики, инспектирования космических орбитальных аппаратов, управления развертыванием космических аппаратов на орбите, подготовки их к возврату на Землю, проведения научных и исследовательских работ, спасения космонавтов. То есть примерно так, как это осуществляется сейчас в композиции двух ракет-носителей "Союз" и "Протон". Пилотируемая система должна обладать, наряду с высокой степенью надежности, главным качеством - абсолютной безопасностью и возможностью возврата экипажа из любой точки траектории при возникновении аварийной ситуации в полете. Назрела необходимость разработки стратегии пилотируемых операций, которая должна определить место и целесообразность полетов больших групп пилотов на одном корабле и с грузом. Может быть, рациональнее и эффективнее применять надежные пилотируемые летательные аппараты типа "такси".
     Разделение космической транспортной техники на пилотируемые и грузовые целесообразно и для высвобождения части энергетики носителя. Управление полетом и посадкой грузовых транспортных систем в этом случае будет осуществляться в автоматическом режиме.
     В авиации, с момента ее рождения, управление летательными аппаратами отдавалось человеку. Постепенно наращивали автоматику, но главным действующим лицом был экипаж. Трудно представить себя летящим в самолете без экипажа. Можно с автопилотом, но все же с экипажем. Трудно представить себя даже едущим в поезде метро, управляемым автоматом, хотя автоматизировать управление рельсовым поездом - не проблемная задача. Есть же скоростные поезда с автоматическим управлением. Существует какой-то труднопреодолимый барьер в психологии пассажира - неверие к автомату, хотя пользоваться лифтом без сопровождающих научились уверенно. Ракеты появились и живут на автоматах. Но постепенно, настойчиво, ревниво в управление проникает человек...
     Грузовая ракетно-космическая система, как и пилотируемая, предполагает высокую надежность, оптимальное резервирование, минимальный риск в выполнении целевой задачи. Система должна включать в себя все достоинства и преимущества в эксплуатации и обслуживании обычных реактивных транспортных самолетов и плюс к этому, осуществлять всепогодный старт и посадку в автоматическом режиме.
     Это - первая принципиальная позиция в формулировке основных положений дальнейшей разработки многоразовых систем, которая сводится к необходимости разделения пилотируемых и грузовых транспортных средств.
     Вторая позиция связана с определением степени многоразовости. Речь идет о том, возвращать часть конструкции или полностью транспортную систему, естественно, по ступеням. Одноразовые системы требуют, соответственно своему определению, организации районов падения использованных в полете ступеней, обтекателей космических аппаратов. Вторые ступени отечественных ракет падают или в прибрежные зоны, или в акваторию океана. Кроме того, что засоряется океан, теряется дорогостоящая современная конструкция с уникальными материалами, электронными системами, двигательными установками. Ступени, элементы ракет и космических аппаратов, отработавшие космические аппараты остаются на орбите, количество их растет. Новые отношения к экологии Земли и космического пространства однозначно подкрепляют необходимость создания возвращаемых ракетно-транспортных систем. Решение проблемы экологии в полной мере возможно только аппаратами, обеспечивающими возврат всех их элементов. В этом плане многоразовая система должна быть полностью многоразовой. Такого рода системы дают возможность обеспечить и всеазимутальность выведения полезных грузов. Ракета-носитель с этими свойствами приобретает качество аэрофлотовского транспорта. Значит, второй принцип многоразовости - полная многоразовость.
     Но многоразовость - это и энергетические потери. В этой связи возникает проблема - идти путем создания полностью многоразовой одноступенчатой или частично компенсировать потери многоступенчатой структурой носителя. Преимущество двухступенчатой транспортной системы, по сравнению с одноступенчатой, можно проследить по ряду зависимостей, из которых следует, что стартовая масса одноступенчатой конструкции, при сегодняшнем уровне технологии, будет более чем в два раза больше массы двухступенчатой. Можно снизить стартовую массу одноступенчатого носителя до массы двухступенчатого при условии, что конструктивное совершенство одноступенчатой системы повысится в два раза по сравнению с достигнутым на сегодня уровнем. Это значит, что потребуются новые конструктивные материалы, новые технологии, уникальные двигатели, которые, так же как и материалы, должны будут иметь характеристики в полтора-два раза лучшие, чем сейчас. Но если даже и будут достигнуты такие уровни технических качеств компонентов системы, все же неизменно энергетически выгодней остается многоступенчатая структура, хотя одноступенчатая система амбициозна. Таким образом, третье исходное положение - многоступенчатая структура.
     Ну, и одно из главных положений разработки - это оптимальные экономические характеристики системы. Нами предложена вертикально стартующая двухступенчатая, с жидкостными двигателями, полностью многоразовая космическая система с горизонтальной посадкой крылатых ступеней. Почему вертикально стартующая ракетная многоразовая система, а не горизонтально стартующая воздушно-космическая с воздушно-реактивным двигателем?
     Во-первых, жидкостной двигатель надежен, проверен и универсален и его характеристики не зависят от скорости полета. С другой стороны, существующие серийные воздушно-реактивные двигатели работают до М=3,5 (опытные образцы турбореактивных - до М=6), а создание гиперзвуковых воздушно-реактивных двигателей, работающих до М=6-20, остается трудноразрешимой проблемой.
     Во-вторых, для эффективного использования воздушно-реактивного двигателя горизонтально стартующая система при разгоне требует длительного полета в плотных слоях атмосферы, что приводит к большему, чем при спуске с орбиты, нагреву самолета и, следовательно, необходимости принятия специальных мер по активному охлаждению планера.
     В-третьих, длительный полет воздушно-космической системы при разгоне на высотах 15-35 км (более 10 мин.) губителен для озонного слоя Земли, тогда как вертикально стартующие средства этот слой "пронзают" за 30-40 с.
     Почему двухступенчатая система, а не одноступенчатая? По относительной массе полезного груза (отношение массы полезного груза к стартовой массе) при пусках в восточном направлении двух- и одноступенчатые системы могут сравняться, если существующие конструкции ракетных ступеней в сумме станут легче не менее, чем на 30%. Это объясняется тем, что "эффект Циолковского" по отбросу масс в полете для двухступенчатых ракет снижается при облегчении конструкций. С другой стороны, масштабный фактор облегчения конструкции работает в пользу одноступенчатых ракет (это можно объяснить на примере: пустая канистра емкостью в 20 л легче двух канистр по 10 л). В пользу одноступенчатых систем действует и аэродинамическое сопротивление. Кроме того, одноступенчатые ракеты для увеличения энергетики должны быть укомплектованы трехкомпонентными двигателями. Однако даже при равных относительных массах одноступенчатые системы более чувствительны к изменению направлений пусков - юг, север, запад. Тем более что достижение 30% суммарного облегчения конструкции является в настоящее время проблематичной задачей.
     Огромный научный, промышленно-технический и экспериментальный потенциал системы "Энергия"-"Буран" создал объективные предпосылки для дальнейшего развития разработки в нашей стране перспективной многоразовой воздушно-космической системы. Первое приближение к варианту полностью многоразовой ракетно-космической транспортной системы на основе "Энергии"-"Бурана" определяется исходя из следующих соображений.
     Первая ступень "Энергии" в составе четырех блоков имела в проекте парашютную систему спасения. Блок А, отработав программное время на траектории, в составе параблока отделяется от блока Ц. Через некоторое время параблоки делятся на самостоятельные блоки А и отходят друг от друга. При входе в атмосферу срабатывает сначала тормозной, а затем предварительный каскад и основные парашюты. С помощью систем обеспечения мягкой посадки блок приземляется на амортизирующие стойки. Блок приводится в состояние для транспортировки и перемещается с помощью передвижных средств из зоны посадки в зону профилактики и восстановления. Структура комплекса обеспечения возвращения блока А многодельная, поэтому эта система не была окончательной как средство многоразовости. Вот почему привлекал вариант планирующего спуска на крыльях и посадки на посадочную полосу "Бурана". В то же время рассматривался вариант блока А, выполненного с диаметром, равным диаметру блока Ц. Блок А в этом виде удачно заменял все четыре блока.
     Создание спасаемого блока А, равного по размерам блоку Ц, является не столь сложной задачей, если решается проблема возврата с орбиты в планирующем полете блока второй ступени, так как возврат первой ступени существенна проще при выполнении блока по аналогичной крылатой схеме за счет того, что температурные режимы полета существенно ниже. Крылатый блок А в размерах блока Ц мог выполняться без тепловой защиты того вида, который предусматривался для второй ступени. План заманчивый, но его выполнение зависело от состояния работ по спасению блока Ц. Было принято направление сосредоточения исследований в области создания крупногабаритной крылатой второй ступени, разрабатываемой на базе центрального блока ракеты-носителя "Энергия" и орбитального корабля "Буран", как промежуточный этап повышения многоразовости.
     С учетом изложенного состав системы предполагался состоящим из вновь разрабатываемого многоразового воздушно-космического комплекса и наземных средств подготовки и проведения пуска, а также управления полетом, заимствованных от системы "Энергия" - "Буран".
     Носитель этого проекта представляет собой двухступенчатую ракету, непилотируемую - грузового варианта с четырьмя блоками А в качестве первой ступени и крылатой второй ступенью в качестве первого этапа разработки.

Вариант многоразовой ракетной системы ГК-175 в составе крылатого блока Ц и "обычных" блоков А (от РН "Энергия") в стартовой конфигурации

     На блоке А используются двигатели с тягой до 850 т в пустоте, работающие на штатных компонентах топлива - жидкий кислород, углеводородное горючее, на второй ступени - двигатели тягой 230 т в пустоте, работающие на топливе, компонентами которого являются жидкий кислород и жидкий водород. Двигатели заимствованы с ракеты-носителя "Энергия", они подвержены доработкам в части обеспечения многоразовости их использования и некоторому форсированию. При этом предполагалось, что модернизация этих двигателей должна была создать резерв в повышении массы полезного груза. Начинать же этап предполагалось с имеющимися двигателями без изменения.

     Баллистической схемой выведения предусматривается запуск всех двигателей с Земли, полет за пределы атмосферы, отделение и спуск отработавших блоков первой ступени после снижения скоростного напора до значения менее 130 кг на квадратный м, выведение маршевыми двигателями второй ступени на эллиптическую орбиту с параметрами 110/200 км, пассивный полет в течение 40 мин и довыведение на круговую орбиту. Использование баллистической схемы полета ракеты с довыведением на конечном участке для двухступенчатых систем дает возможность достичь оптимальных характеристик ракеты-носителя и увеличить массу полезного груза на 8%. Сход с орбиты обеспечивается с помощью тормозного импульса величиной 70 м/с, создаваемого вспомогательной двигательной установкой ступени. На атмосферном участке управляемый спуск и необходимый маневр осуществляются аэродинамическими средствами, аналогичными установленным на орбитальном корабле "Буран". Далее на орбите происходит выгрузка космического аппарата из второй ступени в космосе и проведение посадки через один виток пребывания на орбите. В случае нештатного полета обеспечивается задержка дополнительно на два витка с последующей посадкой ступени на запасные аэродромы.
     Исследования основных проектных параметров, применительно к изложенной баллистической схеме, показали, что при увеличении конечной массы второй ступени за счет установки аэродинамических элементов посадки, при сохранении в качестве первой ступени четырех блоков А "Энергии", оптимизация соотношения масс ступеней достигается при уменьшении заправляемого во второй ступени топлива на 220 т по сравнению с запасом топлива блока Ц "Энергия". Одновременно с этим требуется снижение суммарной тяги двигателей второй ступени; в связи с чем для крылатой ступени оставляется три двигателя вместо четырех. На второй ступени устанавливается вспомогательная двигательная установка для довыведения ее на опорную орбиту на участке выведения, последующего спуска с орбиты, управления и стабилизации на пассивных участках полета. Высвобожденный при уменьшении запаса топлива объем в 610 м³ используется для отсека полезного груза. У "Бурана" - 350 м³. Полностью собранная ступень с грузовым отсеком по габаритам эквивалентна блоку Ц "Энергии". Для использования производственно-технологической оснастки, экспериментальной базы и наземного комплекса, созданных для системы "Энергия"-"Буран", при разработке крылатой ступени ее диаметр сохраняется равным диаметру блока Ц. Для осуществления самолетной посадки ступени устанавливаются авиационные средства "Бурана": крыло, вертикальное оперение, балансировочный щиток, посадочное устройство, шасси, гидрокомплекс и аппаратура управления авиационными средствами посадки.

Многоразовый блок второй ступени РН "Энергия" - ГК-175
крылатый блок Ц

     Проведенные теоретические и экспериментальные (на моделях в аэродинамических трубах ЦАГИ) исследования аэродинамических характеристик ступени показали, что при длине порядка 60 м и принятом диаметре ступеней перемещение центра давления при полете на гиперзвуковых и трансзвуковых скоростях столь значительно, что необходимо введение дополнительных устройств (например, установка горизонтального и вертикального оперений в носовой части ступени, выдвигаемых на трансзвуковом режиме полета), обеспечивающих балансировку ступени. В результате исследований различных по относительной длине и аэродинамической компоновке вариантов ступени найдены решения, при которых удовлетворительные балансировочные характеристики достигаются без дополнительных устройств на всех режимах полета.
     Приборный отсек с бортовыми системами размещается в передней части ступени, а бак окислителя над баком горючего - для обеспечения передней центровки, положение крыла на ступени также выбрано с учетом обеспечения необходимых центровочных и балансировочных характеристик.
     Полученная аэродинамическая компоновка ступени характеризуется следующими параметрами: площадь крыла 296 м², размах крыла 26 м, стреловидность крыла по передней кромке 45 град., удельная нагрузка на несущую поверхность 355 кг/м² (у "Бурана" -до 372). Аэродинамическое качество на гиперзвуковых скоростях 1,6 при углах атаки 18 град. и 1-1,22 при углах атаки 40 град., на дозвуковых скоростях 2,5-5,0. Скорость ступени при посадке 340 км/ч, дальность бокового маневра 1250 км. Максимальные температуры при посадке, в градусах Цельсия: на носке корпуса и кромке крыльев 1500, на наветренной поверхности корпуса 1170, на подветренной поверхности корпуса 180-300. Масса ступени в момент посадки 100 т.
     Силовая схема построена на соосном расположении полезного груза, консольно прикрепленного к корпусу второй ступени, в ее верхней части, с помощью переходного отсека. Такое расположение отсека полезного груза приводит к исчезновению крутящего момента и уменьшению концентрации напряжений в оболочке бака окислителя от узлов крепления блоков А и изгибающего момента.
     Силовая схема крепления блоков А к корпусу второй ступени принципиально подобна силовой схеме крепления блоков А на "Энергии": верхний пояс связи блоков передает на вторую ступень осевую и поперечные нагрузки, нижний пояс связи блоков А передает крутящий момент со стороны параблочных связей блоков А, а также поперечные нагрузки.
     Для уменьшения миделевого сечения второй ступени центроплан крыла размещается в пределах сечения фюзеляжа, в нижней его части.
     Особенностью конструктивно-силовой схемы крепления крыла к корпусу второй ступени является наличие, как основного силового элемента, мощных бортовых нервюр замкнутого поперечного сечения. С их помощью осуществляется контурное закрепление консолей крыла к корпусу ступени. Бортовые нервюры крепятся к корпусу емкости горючего с помощью системы узлов с температурной развязкой "горячего" крыла и "холодного" корпуса, а к хвостовому отсеку - жестко, передавая на него нагрузки с консолей крыла. В совокупности происходит передача нагрузок от силы лобового сопротивления, поперечной силы и изгибающего момента.
     Узлы для температурной развязки конструктивно представляют собой шарнирно подвешенные кронштейны, которые при температурных расширениях бака поворачиваются и за счет этого компенсируют линейные деформации в продольном и радиальном направлениях.
     Ключевым решением было изменение длины блока Ц в полете, чтобы выполнить аэродинамические требования по габаритам ступени на участке спуска. С этой целью после выведения на орбиту и выгрузки полезного груза обтекатель полезного груза надвигается на бак окислителя, вследствие чего длина ступени уменьшается с 60 м до 44.
     Решение о надвигаемом обтекателе вносит ряд преимуществ, в том числе улучшение центровочных характеристик ступени, исключается необходимость сброса головного обтекателя в полете, создается возможность разделить на баке окислителя теплоизоляцию и теплозащитное покрытие.
     Силовая схема отсека полезного груза выбрана в виде подкрепленной оболочки замкнутого поперечного сечения. Для выгрузки полезного груза переднее днище отсека открывается поворотом на 90° относительно поперечной оси, отсек надвигается на корпус бака окислителя, и полезный груз выталкивается.
     Для защиты наветренной поверхности рассмотрены две схемы теплозащитного покрытия: первая с неуносимым многоразовым покрытием и вторая с активной системой охлаждения.
     По первой схеме предусматривается двухслойный пакет, состоящий из верхнего неуносимого температурного слоя, представляющего собой карбонизированный стеклопластик с защитным покрытием на основе термопластического стекла, и нижнего теплоизоляционного слоя, представляющего собой полужесткий волокнит, состоящий из высокотемпературного материала, облицованного кремнеземнистой тканью.
     По второй схеме предусматривается многослойный пакет, включающий, помимо двух слоев, описанных в первой схеме, нижний слой с активной системой, разлагающейся с большим эндоэффектом и обеспечивающей требуемый теплоотвод при длительном нагреве. Крепление теплозащиты к корпусу ступени - механическое.
     В качестве тепловой защиты подветренных поверхностей ступени используется полужесткий волокнит ТЭМП-1.
     На носке отсека полезного груза, на передних кромках крыльев и вертикального оперения предусмотрена установка конструкции из композиционных материалов типа углерод - углерод.
     Маршевая двигательная установка второй ступени допускает глубокое дросселирование по тяге. Двигатели установлены в кардановых подвесах многократного использования.
     Вспомогательная двигательная установка предусматривает использование 12 жидкостных двигателей малой тяги, работающих на компонентах кислород-керосин, с вытеснительной подачей топлива, причем кислород забирается из основного топливного бака ступени.
     Одновременно с этим проводились проработки по созданию вспомогательной двигательной установки, работающей на компонентах топлива кислород-водород. При этом ставилась задача использовать остатки компонентов топлива маршевой двигательной установки в качестве рабочего тела.
     Логика функционирования многоразовой системы в расчетных ситуациях на активном участке полета предусматривает следующие операции, в порядке снижения приоритета:
     - выведение на расчетную орбиту с полным выполнением программы пуска;
     - выведение на одновитковую траекторию с отделением полезного груза на орбите и последующей посадкой ступени на посадочный комплекс в районе старта;
     - сброс полезного груза на траектории полета второй ступени при скоростном напоре до 1-3 кг/м² и продольной перегрузке 0,3-0,4, получаемой за счет глубокого дросселирования двигателей второй ступени с последующим возвращением ступени на посадочный комплекс.
     Логика функционирования системы в нештатных ситуациях отличается от логики "Бурана". По понятным причинам не предусматривается посадка на многочисленные аэродромы вынужденной посадки, расположенные вдоль трассы полета, а разрабатывается система аварийного приземления с соблюдением принципа наименьшего ущерба.
     Вероятность возникновения такого рода ситуаций, при достаточно высокой надежности системы, весьма мала.
     Как показали проработки, горизонтальные летные испытания второй ступени целесообразно провести с использованием самолета "Мрия". Проработаны вопросы подъема ступени на высоту 7-8 км с последующим сбросом в самостоятельный полет. Методом математического моделирования, с использованием банка аэродинамических данных, определены динамические характеристики связки из самолета и ступени в совместном полете, процессы разделения с учетом интерференции каждого из изделий и посадка ступени по глиссаде, аналогичной штатному полету ступени. По результатам расчетов определены требования по установке ступени на самолете, по взаимодействию систем управления самолета и ступени в совместном полете и при разделении.
     Опыт работы по ракетно-космической системе 'Энергия"-"Буран" показал, что создание полностью многоразовой системы близко к реальному воплощению.
     На начальном этапе проектирования были рассмотрены три варианта аэродинамической компоновки "крылатого" блока Ц с площадью консолей крыла 180 м² - аналогично "Бурану", 250 м² - по геометрии подобное "Бурану" и 300 м² - с большей стреловидностью, равной 60 град., и наплывом. Аэродинамические характеристики для этих компоновочных схем при гиперзвуковых и сверхзвуковых скоростях до М=4 определялись расчетом с использованием программного модуля "Энергия-2" пакета прикладных программ "Высота" разработки НПО "Энергия", а при умеренных скоростях М=4,0-4,1 использовался комплекс программ "Компас" разработки ЦАГИ. Расчеты показали хорошее согласование с экспериментом и данными, полученными для "Бурана". На начальной стадии работы было совсем не очевидно, каким образом для такого длинного цилиндрического корпуса с крылом, каковым является блок Ц, можно решить задачи балансировки, устойчивости и управляемости на гиперзвуке при больших углах атаки -35-40 град. при сверхзвуковых скоростях и на участке трансзвукового и посадочного режимов полета.
     Одной из основных задач предварительного этапа было также рассмотрение возможности создания технологичной теплозащиты с приемлемыми весовыми характеристиками и лишенной недостатка "плиточной" теплозащиты - трудоемкости изготовления и большой стоимости, свойственных "Бурану" и "Спейс Шаттлу". Для расширения класса используемых теплозащитных материалов, при формировании условий движения на участке спуска, вводились ограничения по температуре поверхности цилиндрической части корпуса - не более 1170 град.С.
     Проектные проработки, которые велись параллельно, указывали на то, что вес возвращаемого блока, включающего авиационные средства посадки, близок к весу космического корабля "Буран". В процессе поиска рациональной компоновочной аэродинамической схемы было показано, что для обеспечения заданных режимов по температуре, боковому маневру, глиссаде и скорости посадки при спуске можно ограничиться площадью консолей крыльев, близкой к той, чем располагает "Буран".
     В этой связи в дальнейших модификациях геометрии крылатого блока Ц был заложен принцип максимального заимствования авиационных средств "Бурана". Сюда относятся консоли крыла, элевоны, киль и другие элементы.
     Однако, как показали расчеты и эксперименты, для заданных центровок практически оказалось невозможным обеспечить балансировочные режимы в продольном канале на гиперзвуке, трансзвуке и при посадке. Напрашивался вывод о необходимости уменьшения удлинения корпуса и повышения эффективности щитка. Трудности, которые возникли с путевой устойчивостью для длинного корпуса при сверхзвуковых скоростях, также оказались практически непреодолимыми. Решение задачи упрощалось с уменьшением удлинения корпуса.
     Вариант крылатого блока Ц изменяемой длины, когда на участке выведения удлинение составляет 7,6, а при спуске с орбиты головной обтекатель "накатывается" на цилиндрическую часть, и блок укорачивается примерно до 5,7. Решение задачи в области аэродинамики в этой связи сузилось.
     Исследования аэродинамических характеристик велись для широкого класса форм и геометрии носовых частей, при различном расположении и заклинении крыла на цилиндрическом корпусе, для различных вариаций площади наплыва, формы и геометрии крыла с целью получения приемлемых моментных характеристик при переходе от гиперзвука к трансзвуку и обеспечения условий посадки. Для решения путевой устойчивости, наряду с концевыми шайбами на крыльях, рассматривались несколько вариантов киля, включая киль "Бурана" с воздушным тормозом, установленный на стабилизаторе.
     Расчеты аэродинамических характеристик сопровождались экспериментальными исследованиями в аэродинамических трубах ЦДГИ на моделях (масштаб 1:200) в диапазоне чисел М=0,6-10. Выбранный вариант компоновки исследовался на модели масштаба 1:50 в диапазоне чисел М=0,4-4. Здесь по широкой программе исследовалась и эффективность органов управления: элевонов, щитка, киля и воздушного тормоза.
     Следует отметить, что в продольном канале на эксплуатационных углах атаки во всем диапазоне чисел М подъемная сила, аэродинамическое качество и моментные характеристики рассматриваемой компоновочной схемы соответствуют требованиям устойчивости и управляемости. Моментные характеристики на предпосадочном и посадочном режимах близки к линейным по углу атаки, эффективность органов управления при этом оказалась не хуже, чем для "Бурана", а щитка - даже в 1,5-2 раза выше. Эта эффективность была достигнута за счет соответствующей геометрии хвостовой части корпуса. Вертикальное оперение с воздушным тормозом, соответствующее по размерам оперению "Бурана", поставленное на переходнике стабилизатора и развернутое на меньший угол стреловидности, обеспечивает вполне допустимые характеристики по крену и в боковом канале. Руль направления и воздушный тормоз не уступают по эффективности органам управления "Бурана".
     Таким образом, результаты исследований показали, что аэродинамические характеристики крылатой второй ступени ракеты-носителя "Энергия" с изменяемой длиной корпуса, с консолями крыла, вертикальным оперением и аэродинамическими органами управления, кроме щитка, заимствованные от "Бурана", отвечают требованиям формирования траектории, устойчивости и управляемости на всех участках спуска с орбиты, включая посадку. Анализ теплообмена и теплозащиты по такой схеме показал, что условие теплонагружения конструкции не хуже, а удельный вес теплозащиты несколько ниже, чем для "Бурана". Целесообразность работ по реализации такого проекта, где почти в полной мере используются освоенные промышленностью авиационные средства "Бурана", подтвердилась.
     Одновременно результаты проектных разработок показали, что вес полезной нагрузки, выводимой на орбиту спутника для варианта носителя с крылатым блоком Ц, при стартовой массе 2300 т, примерно в 1,5 раза больше массы полезной нагрузки, выносимой с применением "Бурана" или "Спейс Шаттла". В отличие от схем "Бурана" и "Спейс Шаттла", где, в одном случае, вторая ступень с двигателями и уникальной системой управления целиком одноразовая, в другом топливный бак одноразовый, в рассматриваемом проекте с орбиты возвращается вся вторая ступень. Обтекатель не сбрасывается на орбите. На орбите ничего не остается, кроме космического аппарата.
     Второй этап приближения "Энергии" к полностью многоразовой системе был связан с поиском более эффективного средства спасения ракетных блоков А.
     В многоразовой космической системе "Энергия"-"Буран" принята, как говорилось ранее, реактивно-парашютная схема спасения блоков первой ступени. По сравнению со "Спейс Шаттлом", средства спасения первой ступени более сложные и трудоемкие, что связано с необходимостью посадки на сушу, а не в океан.
     С появлением варианта "Энергии-М" у проектантов возникла идея разработки крылатого блока А. В этой связи было целесообразно в плане унификации разработать крылатый блок А, приемлемый для "Энергии" и "Энергии-М". Таким образом, спасаемый блок А предстал в виде одиночного блока существующей конструкции.

     Были проведены исследования по определению возможности создания многоразового блока А с несущими поверхностями, обеспечивающими его полет в атмосфере "по самолетному" и посадку на аэродром стартового комплекса, рассмотрены различные типы несущих поверхностей: от решеток до крыльев большого и малого удлинения. В наибольшей мере поставленной задаче удовлетворяет модификация блока с поворотным крылом большого удлинения и поворотным оперением. Их конфигурация выбрана таким образом, чтобы, с одной стороны, не оказывать существенного влияния на характеристики блоков при их работе в "пакете" в составе носителя и, с другой, - обеспечить на дозвуковой скорости при полностью развернутом крыле очень высокий уровень аэродинамического качества (до 17-19) и высокую несущую способность конструкции при посадке без использования механизации крыла.

     Модифицированный блок А представляет собой свободонесущий моноплан с верхним расположением крыла. Габаритный размер центроплана крыла в зоне поворотных узлов не превышает 6 м (из условия размещения блока в "пакете" в составе носителя). V-образное оперение складывается в стартовом положении вдоль продольной оси блока и закреплено замками на центроплане крыла. Основные стойки шасси складываются в обтекатели, установленные на блоке. Воздушно-реактивный двигатель может быть установлен на пилоне, в районе центра масс блока, или внутри специального обтекателя в носовой части блока. При этом лобовой воздухозаборник имеет небольшие габариты, порядка одного калибра, выхлопной канал выполнен в виде расходящихся тоннелей. Внутри носового обтекателя расположен топливный бак с керосином, выполненный в виде тора. В развернутом положении крыло имеет удлинение 15 и сужение 1,5. В компоновке крыла применен высоконесущий профиль с относительной толщиной 17%. С целью уменьшения изгибающего момента в корневом сечении крыла и, значит, улучшения весовой отдачи применена геометрическая крутка концевых сечений, с углом закрутки 6 град. Наибольшая величина аэродинамического качества достигается при значительной величине коэффициента подъемной силы (0,7) для М=0,25.
     Основным расчетным случаем нагружения для крыла является "полет в неспокойном воздухе", для оперения - "полет в гиперзвуковом режиме". Коэффициент безопасности для всех случаев нагружения автономного полета блока принят равным 1,3. Оптимизация конструкции крыла и оперения проводилась с использованием программы REBWJN, реализующей процесс отыскания минимума целевой функции суммарного веса верхних панелей кессона и его нервюр при наличии ограничений в виде равенств - условий прочности при статическом нагружении и неравенств - конструктивно-технологических ограничений на размеры элементов методом покоординатного спуска. Рассмотрены два основных типа конструкционных материалов крыла и оперения:
     - панели, нервюры, лонжероны изготовлены из композиционного материала на основе углеволокна типа КМУ-8;
     - основные элементы кессона изготовлены, главным образом, из алюминиево-литиевого сплава типа 01450.
     Использование для оперения композиционного материала КМУ-8 снижает массу конструкции крыла на 16%.

     Проблема возвращения блоков к месту старта является сложной технической задачей, поскольку после расцепки они совершают баллистический полет протяженностью до 300 км на высоте, превышающей 80 км. Управление траекторией полета блока возможно лишь после входа его в плотные слои атмосферы, на высотах менее 30 км. При этом углы наклона траектории составляют 25-30 град., что приводит к большим величинам скоростного напора. В этой связи на первом этапе входа в плотные слои атмосферы используются небольшие значения угла крена, чтобы сделать траекторию более пологой, а после прохождения пика скоростного напора начинается интенсивный разворот к месту старта, с большими углами крена и подъемной силы. На дозвуковых режимах полета для компенсации значительного удаления от места старта необходим полет с высоким аэродинамическим качеством.

     Траектория возвращения состоит из трех основных частей:
     - участок полета на больших высотах (более 50 км) при наличии малых аэродинамических сил - этот участок можно назвать баллистической фазой;
     - участок разворота блока по направлению к месту посадки, при котором происходит резкое снижение скорости и высоты;
     - участок планирования по направлению к месту посадки при скорости с числом М меньше единицы.
     Продолжительность первого участка при скорости 1630 м/с, высоте 54 км составляет 170 с. За это время блок удаляется от старта (аэродрома посадки) на 270 км. Это удаление во второй фазе траектории возрастает, достигая 310 км. Его необходимо компенсировать на третьем участке дозвукового полета с высоким аэродинамическим качеством.
     После выполнения разворота по курсу блок совершает полет в режиме стабилизации максимального аэродинамического качества на высоте 18 км при М=1,1, а с уменьшением числа М до 0,75 для облегчения раскрытия крыльев большого удлинения совершает маневр типа "горка" с выходом на малые углы атаки.
     Траекторию возвращения при высоте 13 км можно представить состоящей из трех участков: квазистационарного планирования с высотой от 13 до 5 км, горизонтального полета на высоте 5 км (М=0,42) и планирования с этой высоты. Потребный расход топлива с учетом встречного ветра составляет 1200 кг.
     Широкий диапазон изменения режимов полета предъявляет высокие требования к контуру обеспечения устойчивости и управляемости, который должен обеспечивать хорошее качество управления по быстродействию системы, по максимально возможной развязке каналов и демпфированию. Такие же требования предъявляются к системе информационного обеспечения, в частности, к воздушно-скоростным параметрам.
     Блок имеет совершенную информационную систему, позволяющую определять текущие значения воздушных аэродинамических углов, скорость полета относительно воздушной среды, высоту полета, скоростной напор и число М. Имеющаяся на борту вычислительная машина при известных параметрах системы имеет возможность алгебраического расчета по конечным соотношениям сигналов, близких к производным углов атаки, скольжения и скоростного крена, которые используются при построении алгоритмов. Подобный подход использовался в системе управления орбитальным кораблем "Спейс Шаттл". Структура контура обеспечения устойчивости и управляемости по продольному каналу во всем рассматриваемом диапазоне чисел М и бокового канала на режимах предпосадочного маневрирования (М=0,25-0,7 - крыло разложено) может быть построена по нормальной самолетной схеме на принципах разделения форм движения с хорошим качеством отработки, задаваемых командных значений угла атаки и угла крена. Структура контура бокового канала на режимах полета со сложенным крылом (М=0,8) при наличии в боковом канале одного отсека управления (руля управления) построена по обращенной схеме на основе свойства обратной реакции крена на отклонение органа поперечного управления ракеты-носителя.
     Таким образом, проведенные исследования показали возможность реализации аэродинамической схемы блока А с выдвижным крылом большого удлинения, обеспечивающего очень высокий уровень аэродинамического качества (17-19) на режиме дозвукового полета и несущих свойств крыла на посадке без использования механизации.
     Размещение средств возвращения на блоке А максимально увязано с существующей конструктивно-силовой схемой блока, а изготовление основных элементов средств возвращения крыла и оперения базируется на достигнутой к этому времени технологии.
     Работы по исследованию роторных систем, используемые в качестве тормозного устройства, проводились в США, Англии и Франции с 1950 г. По результатам этих исследований отмечалось, что в весовом отношении роторная система посадки может конкурировать с парашютной. В качестве примера можно привести результаты сравнения весовых характеристик различных систем, обеспечивающих безопасное снижение первой ступени ракеты. Из рассматриваемых четырех систем такого рода первая - торможение в атмосфере, задействование парашютов, ракетные двигатели мягкой посадки; вторая - торможение в атмосфере, парашюты и газовые подушки мягкой посадки; третья - торможение атмосферой, воздушно-реактивные двигатели; четвертая - роторная система. Вес средств приземления составляет соответственно 10; 13,4; 25,4; 10 % от веса первой ступени при полном выгорании топлива, а вес системы посадки - 2,9; 3,9; 7,3; 2,9 % от веса полезной нагрузки. Видно, что роторная система по весовой отдаче не хуже любой другой.
     Особенностью предлагаемой Казанским авиационным институтом роторной системы посадки является использование гибкой, сворачиваемой в рулон лопасти. Несущая система на базе гибкой лопасти работает так же, как и несущий роторный винт с жесткими лопастями. При использовании двигательных установок, расположенных на концах лопастей, роторная система может выполнятъ функции несущего винта вертолета, позволяя маневрировать без потери высоты и обеспечивать точную "мягкую" посадку.
     Результаты оценок возможностей использования роторных систем показали, что они могут обеспечить возвращение космических аппаратов и ступеней на Землю. С помощью роторного устройства на всей траектории спуска космического аппарата можно осуществлять торможение и стабилизацию аппарата, изменять в широких пределах коэффициент лобового сопротивления, осуществлять планирующий спуск с использованием аэродинамического качества, выполнять маневры при посадке и обеспечить близкую к нулю скорость в момент соприкосновения с Землей. Изменение сопротивления летательного аппарата при спуске может производиться путем изменения конусности и угла взмаха лопастей, а изменение подъемной силы - путем изменения угла атаки плоскости вращения ротора. Ротор может применяться со спускаемым аппаратом любой формы, так как большая часть подъемной силы будет создаваться самим ротором, а не аппаратом.
     Преимуществом применения роторной системы для спуска, по сравнению с баллистическим спуском и спуском с помощью гиперзвукового планирующего аппарата с фиксированным крылом, является наименьшее увеличение (за счет средств возвращения) веса при одинаковой способности бокового планирования до 1400 км. Роторная система по массе меньше крыльевой в 3-5 раз.
     Проект роторной системы торможения и посадки, предназначенной для первой ступени ракеты-носителя "Био-Стрик", был разработан французской фирмой "Жиравьон-Доран". Первая ступень этой ракеты отделяется на высоте примерно 80 км, достигнув скорости М=15. По расчетам требуется двухлопастной ротор диаметром 24,4 м, лопасти которого (хорда 1 м) выполнены из жаропрочных сплавов. При пуске ракеты лопасти складываются параллельно поверхности корпуса ступени. Раскрытие ротора происходит перед входом в атмосферу, причем на начальном этапе спуска, когда скорость изменяется мало, почти полностью раскрытые лопасти ротора служат средством стабилизации. Продолжительность полета летательного аппарата на гиперзвуковом участке траектории составляет 60-70 с. При этом, скорость уменьшается до 720 м/с на высоте 36 км. Основные параметры достигают своих максимальных значений на высоте порядка 47 км. К этому моменту угол конусности лопастей уменьшается так, что ротор полностью попадает под ударную волну, отходящую от корпуса спускаемого аппарата. После выхода на околозвуковые скорости начинается снижение на режиме "ветрячка", который переходит в режим установившейся авторотации. По мере спуска летательного аппарата меняется ориентация корпуса ракеты по отношению к набегающему потоку - двигателями вперед, что гарантирует ей большую устойчивость. Посадка ступени может быть осуществлена (автоматически или при управлении с Земли) непосредственно на специальный транспортировщик. Увеличение веса ступени за счет роторной системы составляет 7-8 %.
     Режим входа в атмосферу характеризуется необходимостью поглощения большой кинетической энергии за счет аэродинамического торможения. Этот режим практически ничем не отличается от режима работы блока с крыльевой системой возврата. Осуществляется цепочка процессов ориентирования блока перед входом в атмосферу, ориентация при полете в атмосфере с торможением за счет аэродинамической поверхности блока. Полет в нижних слоях атмосферы начинается от точки, где температурное воздействие набегающего потока перестает играть существенную роль. После предварительной стабилизации из корпуса выпускаются в поток концевые стабилизаторы с нулевыми относительно продольной оси ракеты углами установки. При этом ступень приобретает дополнительную устойчивость движения в осевом потоке. Далее происходит симметричное отклонение стабилизаторов до расчетных углов установки. Набегающий поток раскручивает ротор до расчетных скоростей вращения. При достижении угловой скорости вращения, обеспечивающей устойчивую работу лопасти, происходит плавный выпуск лопастей в поток. На этом этапе осуществляется перестройка ротора на режим установившегося вращения и переход ступени на планирующий полет.
     При околозвуковом режиме полета спускаемого аппарата ротор работает как тормоз, сохраняя большую скорость вращения. Режим установившегося самовращения - авторотации начинается при достижении спускаемым аппаратом скорости 25-30 м/с. Особенностью этого режима являются постоянные скорость вращения и тяга ротора. Этот режим наиболее благоприятен для управляемого полета. Изменяя циклический шаг несущего винта, можно изменять направление полета и обеспечить вывод летательного аппарата в заданный район.
     В режиме приземления возможны два варианта уменьшения вертикальной скорости. При резком увеличении углов установки лопасти можно увеличить тягу ротора в 2-2,5 раза за счет использования собственной кинетической энергии вращения. Эффект называется "подрыв" винта. Этот способ не требует дополнительных источников энергии, но уступает двигательному способу по точности приземления и качеству посадки. Следовательно, он выдвигает дополнительные требования к системам фиксирования ступени в вертикальном положении. Возможен режим двигательной посадки, который начинается после вывода летательного аппарата в заданный район выключением двигательных установок. Особенностью этого способа является широкий диапазон изменения скорости посадки как по величине, так и по направлению, вплоть до зависания над посадочной площадкой.
     Лопасть роторной системы посадки с концевыми стабилизаторами и двигателями имеет прямоугольную к плане форму, постоянную хорду и толщину; она достаточно гибкая для сворачивания на барабан. Жесткость лопасти в потоке обеспечивается наличием на конце сосредоточенной массы в виде жесткого стабилизатора или концевых двигателей, предназначенных для использования на этапе приземления или доведения до точки посадки. Все шесть лопастей последовательно наматываются на барабан, совмещенной с осью вращения. Этот вариант компоновки представляется наиболее рациональным и позволяет компактно разместить роторную систему в головном отсеке спускаемого аппарата.
     В систему роторной посадки входят устройства выпуска лопастей в поток, механизм отвода обтекателя, системы управления ротором, циклическим шагом, общим шагом и двигательными установками.
     При массе спускаемого аппарата в 60 т радиус лопасти равен 25 м, количество лопастей 6, хорда лопасти 1 м, вес концевого груза-стабилизатора 488 кг, тяга концевых двигателей лопасти 2,37 т, суммарный вес роторной системы 4,8 т.
     Параллельно с созданием крылатых ступеней ракеты-носителя "Энергия-2" разрабатывалась программа дальнейшей модернизации двигателей РД-170 и РД-0120. Основное их направление было связано, во-первых, с повышением надежности и, во-вторых, увеличением тяги и улучшением удельных характеристик. По результатам предварительных проработок было ясно, что двигатель РД-170 имел резервы повышения характеристик, но несущественные: не более 1-2 %, поэтому разработчиками двигателя была предложена программа решительных изменений некоторой части конструкции. Модернизированный двигатель получил индекс 14Д20. Но реализация этой программы вела к значительным затратам. Модернизация водородного двигателя РД-0120 имела этапность: повышение надежности за счет доработок, увеличивающих его ресурс, что совпадало с программой многократного применения блока Ц, хотя на первом этапе этой программы предусматривалось менять двигатели по реальному их состоянию. Без особых доработок достигалось форсирование двигателя на 11%. Вводился сопловой выдвижной насадок, который давал повышение удельной тяги в вакууме. Конечный вариант модернизации имел индекс 14Д12.
     В случае применения модернизированных двигателей 14Д12 в 14Д20 многоразовая ракета "Энергия-2" выносила на опорную орбиту 40 т полезного груза. Просчитывались различные сочетания двигателей с разной степенью модернизации. Например, двигатель 14ДУ20 с РД-0120 с сопловым насадком давали 34 т полезного груза на орбите, вариант 14Д20 с РД-0120 с насадком и форсированием на 11% - 36,5 т, 14Д20 с РД-0120 без каких-либо изменений давали 31,5 т. Если же не переделывать керосиновый двигатель РД-170 и применить его в композиции с РД-0120 при малой модернизации форсированием на 11% и сопловым насадком, выносимый на орбиту груз составлял 34 т. За основу для первого этапа реализации крылатого блока Ц нами был принят вариант композиции двигательной установки носителя на основе двигателей РД-170 и РД-0120 без всяких изменений.
     Таким образом, две крайние позиции: одна - полная модернизация обоих двигателей - давала 40 т, другая - без модернизации, на существующих двигателях - 29 т. И еще на одну позицию, которая играла решающую роль в определении стоимости разработки крылатой системы, следует обратить внимание - сочетание двигателя первой ступени РД-170 без изменений и водородного двигателя второй ступени 14Д12 с полной модернизацией. Эта композиция позволяла иметь 37 т полезного груза на орбите.
     Систему управления планировалось применить полностью с "Бурана", но с разработкой, естественно, нового математического обеспечения.
     Таким образом, облик ракетно-космической транспортной системы, создаваемой на основе комплекса "Энергия"-"Буран", в результате проведенных исследований и проработок различных вариантов воздушно-космических систем - одноступенчатых и двухступенчатых, с вертикальным стартом и горизонтальным взлетом, с парашютно-реактивной системой возврата и спасения и самолетной посадкой - определился. Наибольшей массово-энергетической эффективностью обладают многоступенчатые структуры с вертикальным стартом и горизонтальной посадкой всех ступеней с возвращением на аэродром стартового комплекса. Такая система, в связи с тем, что она создается с учетом использования уже наработанного задела и на базе совершенствования ракетно-космической системы "Энергия"-"Буран", с применением существующих конструкционных материалов, бортовых систем управления и освоенных жидкостных ракетных двигателей, могла быть создана без существенных затрат ресурсов. Как показали проектные проработки, задача превращения центрального блока "Энергии" в крылатую вторую ступень, способную достичь орбиты с доставкой полезного груза, осуществить планирующий спуск в атмосфере и посадку на аэродром стартового комплекса, является вполне реальной и осуществимой в относительно короткие сроки, с минимальным техническим риском. При реализации этой схемы "инженерный пот" был бы затрачен, в основном, на создание центроплана крылатого блока Ц.

Многоразовая ракетная система ГК-175 с крылатыми блоками А в стартовой конфигурации

    Продувка моделей в аэродинамических трубах показал, что такая крылатая ступень обладает приемлемыми несущими свойствами и балансировочными характеристиками в широком диапазоне скоростей - от дозвукового режима полета до скоростей, соответствующих гиперзвуковому и трансзвуковому уровням. Линейность основных моментных характеристик выражена даже более, чем у "Бурана".

     По своей сущности разработанная схема находится между созданной системой "Энергия"-"Буран" и перспективным проектом одноступенчатого космического самолета. Эта схема, по оценке проектантов, дает возможность снизить на порядок стоимость вывода на орбиту полезного груза.
     В дальнейшем на базе отработанной крылатой многоразовой второй ступени планировалась замена (как уже третий этап приближения к полностью многоразовой системе) четырех боковых блоков первой ступени одним идентичным, а точнее, почти копией второй ступени.
     Первая ступень будет фактически зеркальным отображением второй. Их будет отличать только четыре мощных двигателя РД-170 в хвостовом отсеке первой ступени и отсутствие теплозащиты.
     Пакет двух равных по габаритам ступеней представляет собой простую композицию блоков, сочлененных по плоскостям крыльев. Эта композиция дала толчок к оценке необходимости иметь два разных двигателя на первой и второй ступенях. Одна ступень - это связка кислородно-керосиновых двигателей, вторая - связка кислородно-водородных. Была установлена целесообразность применения трехкомпонентных двигателей, работающих в режиме первой ступени на кислороде и керосине, а в режиме второй ступени - на кислороде и водороде. Такой двигатель - РД-701 - уже разрабатывался в то время. Вариант рационализации использования двигательных связок - это дальнейшая возможность частичной компенсации потерь, связанных с применением средств возвращения ступеней. Трехкомпонентные двигатели разрабатывались в КБ "Энергомаш" и "Химавтоматика" в Воронеже.
     Проектанты оценивали стоимость разработки крылатой системы первого этапа в 600-650 млн. руб. (в ценах 1987 г.), что составляло дополнительно 4-5 % к общим затратам на создание "Энергии" и "Бурана".
     На стадии экспертизы проектов Технический центр В.И.Багно провел исследование вопросов влияния многоразовости транспортных ракетно-космических систем, создаваемых на основе "Энергии" и "Бурана", на технико-экономическую эффективность программы выведения полезных грузов. Проводилась оценка программы с использованием комплекса одноразового носителя и "Энергии-2" с многоразовой второй ступенью, которые рассмотрены в комплектации с одноразовыми и многоразовыми крылатыми разгонными блоками А. Расчет технико-экономических показателей проводился с учетом стоимости отчуждаемых под поля падения земель. При расчете затрат на послеполетное обслуживание использовались материалы эксплуатации орбитального корабля, самолетов дальней авиации, двигателей многократного применения типа РД-170, ССМИ. Исходя из принятой схемы первого этапа крылатой "Энергии-2", применения многоразовых блоков А в схеме "Энергии-М" и практической одинаковости этих блоков, в сравнительных расчетах они входят по стоимости авиационной части также одинаковыми.
     Установлено, что переход от одноразовых средств выведения тяжелых полезных нагрузок к многоразовым транспортным системам приводит к существенному сокращению объемов производства техники. Экономия за счет сокращения объемов производства примерно равна затратам на создание многоразовой системы. Рассматривался период в 15 лет. Применение одноразовых комплексов выгодно в программах, предусматривающих не более пяти пусков в год. Преимущество многоразовой системы приносит экономический эффект, возрастающий с градиентом 6,5 млрд. руб. на один пуск. Причем использование многоразовых блоков А в сочетании с крылатым блоком Ц в составе "Энергии-2" становится выгодным при темпе пусков более 4 в год, в то время как эти же блоки в структуре "Энергии-М" с одноразовым блоком Ц приносят незначительную выгоду.
     Общие затраты на реализацию программы с использованием многоразовой системы сравняются с затратами при использовании одноразовой системы лишь при условии, что уровень стоимости ремонтно-восстановительных работ и послеполетного обслуживания возрастет в 2,7 раза относительно обоснованного уровня.
     Основными компонентами затрат для многоразовой системы являются: создание системы на авиационном принципе возврата с орбиты и траектории (33,3% от общих затрат); эксплуатация и ремонт (около 28%); изготовление материальной части в связи с многоразовостью (всего 32%, изготовление ракет в одноразовой системе занимает объем более 56%); отчуждение земель (до 19%) при примерно равных стоимостях эксплуатации средств наземного обеспечения. Создание же одноразового комплекса составляет всего лишь 4,5% от общих затрат на многоразовую систему.
     Инженерная записка по многоразовой системе, выполненная в инициативном порядке, была разослана во все руководящие организации в марте 1987 г. По установленному правительством порядку, предложение о целесообразности разработки какого-либо технического направления оформляется первичным техническим документом, который по форме является сигналом о возможности создания новой техники, а по существу это - достаточно полный, отработанный проект, дающий возможность судить о значимости представленной "заявки" для отечественной техники. Следующим шагом официализации своего заявления организация-разработчик должна представить результаты своих проработок в виде технического предложения. Па этом этапе должен определиться потенциальный заказчик, который в последующих действиях выступает уже сообща с разработчиком - не как автор, но как подготовленный оппонент.
    Решением Военно-промышленной комиссии Президиум Совета министров в декабре 1987 г. ряд проектных организаций обязывался разработать технические предложения по созданию на базе комплекса "Энергия"-"Буран" многоразовой воздушно-космической системы. К этой работе были подключены многие ведущие организации Министерства общего машиностроения и авиационной промышленности. При этом фактически сложилось, что направления в разработках совпадали с образовавшимися в космическом мире течениями. Разрабатывались проекты горизонтального взлета и посадки типа НАСП, проекты вертикального взлета и планирующей посадки, космические летательные аппараты, стартующие с тяжелых самолетов, и другие виды космических транспортных систем.
     Этим же решением разработка технического предложения по созданию на базе системы "Энергия"-"Буран" полностью многоразового комплекса с крылатой второй ступенью и исследование вопросов создания крылатой первой ступени большой массы была включена в Программу научно-исследовательских работ в обеспечение создания воздушно-космических систем. Работам в этом направлении, в том числе нашим, правительством были открыты "ворота". Это было своеобразное одобрение предложений, которое давало возможность финансировать исследования и проработки этого направления. Заказчик - Управление начальника космических средств - утвердил техническое задание на разработку технического предложения в марте 1988 г. В этом же месяце проектанты разработали основные положения технического предложения.
     Так называемые "Основные положения технического предложения" - это по сути техническое задание своим смежным специализированным проектным организациям. Этот документ давал технический образ предполагаемого к созданию комплекса, оговаривая специфику его сути и задавая необходимые для этой разработки требования к входящим в него системам и подсистемам. Эти положения касались основных головных разработчиков системы управления, двигателей, наземного комплекса и других средств. С этих "положений" начинается более глубокая работа головных смежных организаций.
     В мае 1988 г. Госкомиссия утвердила кооперацию соисполнителей и установила срок выпуска технических предложений - декабрь 1988 г. В августе этого же года Президиум Научно-технического совета Минобщемаша одобрил концепцию создания многоразовой системы и предупредил о необходимости завершения разработки технического предложения по этому направлению в установленный Госкомиссией срок. В ноябре разработка технического предложения всей кооперацией разработчиков была завершена. В январе 1989 г. был проведен Совет главных конструкторов, на котором было одобрено техническое предложение и выданы рекомендации на проведение дальнейших работ. В феврале 1989 г. разработали график выпуска материалов эскизного проекта, проект решения Госкомиссии, решения Научно-технического совета министерства и направили в Главное управление. Был разработан состав материалов по доработке отдельных разделов технического предложения.
     Основные положения на эскизный проект предполагалось выпустить в мае 1989 г. Инженерная записка по многоразовой системе второго этапа по договору с Главным управлением министерства должно было быть выполнена в сентябре 1989 г. Система договоров с Главным управлением внедрялась впервые в этом году. Договор предусматривал и некоторое финансирование проводимых работ. Первый договор с Главным управлением о выполнении работ по многоразовой воздушно-космической системе был подписан в январе 1989 г Доработка технического предложения по многоразовой системе первого и второго этапов, как реализация замечаний и решения Совета главных конструкторов, должна была быть осуществлена в декабре 1989 г. Эскизный проект планировался Советом к выпуску в 1990 г.
     По установленному порядку, приказом министра, изданным еще в 1984 г., проекты решений, графиков выполнения работ должны быть согласованы со всеми исполнителями и представлены в министерство для обобщения и последующего "окончательного" представления в Военно-промышленную комиссию для формирования решения. Понимая важность оформления документов для начала работ, мы договорились с аппаратом комиссии о совмещении подготовки решения с согласованием документов со смежниками, чтобы ускорить процесс.
     Однако, несмотря на казалось бы "подготовленный обход" этого положения, через три недели министерство вернуло проекты документов. Кроме того, теперь Главное управление считало целесообразным рассмотреть материалы технических предложений по многоразовой системе на Междуведомственном научно-техническом совете по координации научно-исследовательских и экспериментальных работ в обеспечение создания воздушно-космической системы. Отправка же проекта решения, по заведенной схеме, была возможна только через министерство. В результате, проект пришлось переправлять в комиссию, минуя министерство, и начать рабочее согласование по форме, хотя было решение Совета главных конструкторов, которое, фактически, его согласовало и было подписано всеми.
     В марте 1989 г. научно-технический совет НПО "Энергия" решил продолжить проектные работы по многоразовой воздушно-космической системе ГК-175, в ходе которой дополнительно обосновывалась эффективность системы, программа целевого использования, потребное финансирование и реализуемость работ. Решение по проведению дальнейших работ предполагалось принять по результатам рассмотрения эскизного проекта. Президиум научно-технического совета Минобщемаша в марте 1989 г. поручил представить материалы по созданию многоразовой системы на экспертизу Межведомственной комиссии под председательством Г.П.Свищева.
     Центральный институт машиностроения (Ю.А.Мозжорин) выдал в апреле заключение, в котором отметил, что "разрабатываемое направление развития транспортных систем, ставящее своей целью снижение удельной стоимости выведения полезного груза, разгрузку производственных мощностей, обеспечения всеазимутальности и повышение оперативности запусков на основе полностью многоразового использования материальной части, является перспективным и соответствует тенденции развития ракетно-космической техники.
     Заслуживает поддержки стремление при завязке новой системы к максимальному использованию элементов и задела, созданного по системе "Энергия"-"Буран", с целью уменьшения затрат, сокращения сроков и снижения технического риска. Институт согласен с выводами разработчиков, что двухступенчатый комплекс вертикального старта на базе крылатых ступеней с жидкостными двигателями, осуществляющий возвращение и горизонтальную посадку в районе старта, положенный в основу многоразовой системы ГК-175 второго этапа, является наиболее рациональным принципом построения перспективной полностью многоразовой транспортной космической системы тяжелого класса.
     Проработку указанных проблем целесообразно провести на уровне эскизного проектирования многоразовой системы первого этапа. Параллельно с разработкой эскизного проекта системы первого этапа необходимо выпустить техническое предложение по многоразовой системе второго этапа, а также возможным альтернативным вариантам системы на технологической и элементной базе "Энергии"-"Бурана", включая частично многоразовые системы с крылатой первой ступенью". Так заключил отраслевой лидер космических программ.
     Институт Управления начальника космических средств Министерства обороны в своем заключении, которое он выдал в июне, занял аналогичную позицию, считая, что расчетные значения характеристик многоразовой системы реально достижимы и необходимо выпустить дополнение к техническому предложению по многоразовой системе, в том числе техническое предложение по системе второго этапа.
     Экспертиза Междуведомственного научно-технического совета в мае 1989 г. пришла к заключению, что система ГК-175, разрабатываемая на базе задела по системе "Энергия"-"Буран", может рассматриваться как один из возможных вариантов перспективной транспортной системы тяжелого класса с вертикальным стартом. Была признана целесообразной дальнейшая проработка системы с выпуском эскизного проекта первого этапа многоразового комплекса и технического предложения по второму этапу с крылатой многоразовой первой ступенью. Совет решил рекомендовать продолжить разработку эскизного проекта по первому этапу системы ГК-175 и технических предложений по второму этапу с крылатой первой ступенью. Межведомственный совет возглавлял академик Г.П.Свищев, директор ЦАГИ. Рекомендации этого совета готовились для военно-промышленной комиссии перед планировавшимся заседанием Совета обороны.
     В мае Совет обороны в части работ в этом направлении обязал государственную комиссию Совета министров по военно-промышленным вопросам к концу 1989 г. по представлению Министерства общего машиностроения и других министерств установить порядок в проведении дальнейших работ по перспективным многоразовым космическим системам, включая авиационно-космические и воздушно-космические самолеты, многоразовые крылатые ракетные блоки системы "Энергая"-"Буран". Тогда проект был направлен на заключение по обоснованности представленных в техническом предложении технико-экономических показателей в Технический центр, В.И.Багно, НИИ экономики Минавиапрома, А.С.Исаеву, Институт Министерства обороны, Э.В.Алексееву, и другие организации.
     Центром было выдано заключение в июне 1989 г. Установлено, что стоимость создания многоразовой системы ГК-175 первого этапа, включая капитальные вложения, составляет 1,18-1,5 млрд. руб. Верхняя граница соответствует варианту возможной потери второй ступени в летных испытаниях и изготовление нового образца. Стоимость выведения единицы полезного груза - 572-782 рубля за килограмм, при суммарной интенсивности 6-20 пусков в год. При этом предполагалось, что работы по созданию многоразовых блоков первой ступени, модернизации двигателей второй ступени РД-0120, в том числе обеспечения его десятикратного применения, разработке разгонного блока "Смерч", финансируются в рамках программы совершенствования технических характеристик "Энергии"-"Бурана" и "Бурана-Т".
     Министерство не сдавалось, и решением научно-технического совета в середине июля 1989 г. определило: работы проводить в рамках научно-исследовательских и экспериментальных программ до создания достаточного научно-технического задела и выделения необходимого финансирования. Финансирование не выделялось.
     Величина потребных затрат на опытно-конструкторские работы по ГК-175, указанная в техническом предложении, была ниже определенной в этом заключении на 540-860 млн. руб. в основном за счет различий в оценке стоимости работ по авиационным системам (на 320 млн. руб.) и системе управления (на 140 млн. руб.). Вместе с тем представлялось, что стоимости работ по созданию авиационных средств, системы управления были завышены и должны быть дополнительно уточнены.
     К этому времени экономический центр Минобщемаша "Агат", как придаток управленческого аппарата министерства, сформулировал новые цифры затрат на создание ГК-175. "Агат" утверждал, что затраты на создание такого рода системы составят не менее 4,6 млрд. руб. Столь существенное различие в оценках стоимости определяется, по объяснению организаций Минобщемаша, тем, что стоимость некоторых крупных работ по модернизации двигателей РД-170 и РД-0120 отнесена на программу "Энергия"-"Буран". К этому утверждению присоединился Центральный институт машиностроения Минобщемаша.
     Вводилась резервная гвардия, борьба переместилась в область иллюзионно-экономических трюков. Упорно игнорируя материалы проекта, где показано, что модернизированные двигатели первой и второй ступеней необходимы при достижении максимальной грузоподъемности, до 40-50 т, а при использовании существующих двигателей без изменений грузоподъемность будет не ниже 30-35 т, в свои расчеты они закладывают стоимость модернизации как стоимость новой разработки двигателей, то есть ровно столько, сколько они "потянули" по затратам за десять лет разработки "Энергии". Логики нет - одна цель, а цель, видимо, оправдывает средства.
     Стремление получить грузоподъемность выше 30 т было только потому, что ряд организаций авиационного направления утверждали, что ГК-175 не потянет и пяти тонн. Это не удивительно: в среде разработчиков крайние утверждения были с любой стороны. Эти высказывания использовали "вершители судеб" разработок как считали нужным.
     Несмотря на заключения нейтральных организаций, стоимость разработки ГК-175 теперь оценивалась "потолочной" цифрой "Агата".
     Проект многоразовой системы ГК-175 разрабатывали коллективы проектантов В.Н.Лакеева, В.П.Клиппы, А.Н.Бабинцева, Ю.А.Михеева, И.И.Иванова и А.Г.Решетина.

     В дополнение следует заметить, что проект ГК-175 или "Энергия-2" не имел в своем составе наработок, связанных с использованием этой крылатой системы для пилотируемых полетов. Разработчики полагали, как это ранее излагалось, что многоразовая система строилась на основе обеспечения не только должной экономической эффективности, но достижения высокого уровня надежности и безопасности. В этом смысле пилотируемый вариант принципиально не отличался от базового, грузового. По предварительным проработкам в пилотируемом варианте предполагалось применение кабины-модуля. Отделяемая и спасаемая кабина с экипажем, со всеми средствами обеспечения этих функций дает возможность осуществить возврат ее из любой точки траектории полета "Энергии-2". На это отводилась существенная часть энергетики ракеты.
     В проекте предусматривалось использовать кабину-модуль в необычном для космических транспортных средств качестве - как кабину экипажа, осуществляющего перегон крылатого блока Ц с завода-изготовителя на космодром или в обратном порядке воздушным путем. Дело в том, что планирующий крылатый блок позволяет так же, как и "Буран", осуществлять полет самолетного типа со взлетом и посадкой в пилотируемом режиме, при оснащении его реактивными двигателями.
     Эти свойства крылатого блока Ц предстояло подтвердить дальнейшими разработками... Аналогичные разработки, с применением отделяемой кабины, велись и в США.

Далее...

Фотографии и иллюстрации раскрываются в увеличенном формате только на
DVD