Советская копия
шаттла - многоразовая космическая
система
с орбитальным самолетом ОС-120
"Твердо знаю, чего мы делать точно НЕ
будем - не будем копировать
американский шаттл"!
академик
В.П.Глушко
По мере продвижения в США работ над
шаттлом росла и тревога наших экспертов.
Особую озабоченность вызывала выбранная размерность грузового отсека
шаттла и его грузоподъемность - возникло устойчивое
предположение, что габариты грузового отсека выбраны специально для обеспечения
возможности снимать с орбиты советские орбитальные станции "Салют"
и "Алмаз".
В
правительственном Постановлении N П137/VII
от 17 мая помимо организационных вопросов содержался пункт, обязывающий
"…министра С.А.Афанасьева и В.П.Глушко подготовить в
4-х месячный срок предложения о плане дальнейших работ". Что и было сделано в
рамках представленной в середине 1975 г. "Комплексной ракетно-космической
программы".
После
многодневного обсуждения программы Совместный научно-технический совет МОМ и МО
настоял на смене приоритетов в интересах ГУКОСа, выдвинув на первый план
необходимость более подробного рассмотрения вопросов создания МКС типа
Space
Shuttle, и в первую очередь - доработки
"Комплексной ракетно-космической программы" в части более детальной проработки
МКС. Так во второй половине 1975 г. в проекте программы появился новый том - 1Б
"Технические предложения", в котором были приведены состав, назначение и
основные характеристики МКС "Буран" с крылатым 120-тонным орбитальным самолетом,
получившим индекс "ОС-120".
В этом же томе с участием МОМ, Министерства авиационной промышленности (МАП), МО
и АН
СССР
был сделан окончательный выбор размерности ОК в пользу тяжелого корабля. Это
обосновывалось тем, что, во-первых, научные и технические проблемы, решаемые при
создании "большого" и "малого" ОК - похожи (создание новых конструкционных и
теплозащитных материалов, обеспечение аэродромной посадки, освоение жидкого
водорода в качестве высокоэффективного горючего и т.д.) и время для их
решения потребуется одинаковое, а во-вторых - система по своим параметрам не
должна уступать американскому шаттлу.
Конечно, нашим конструкторам при выборе
концепции МКС было гораздо проще: в то время как в США только группа Максима
Фаже в техническом директорате
MSC
(NASA)
за два года (1970-72 гг.) детально проанализировала 60 (!) принципиально
различных компоновок "космического челнока", в НПО "Энергия" сразу взяли за
основу итоговую компоновку
Space
Shuttle. Другими
словами, американцы сэкономили нам два года поисков, уведя в конце концов за
собой по неоптимальному "полумногоразовому" пути.
По
проекту МКС с орбитальным кораблем ОС-120 очень напоминала американскую систему
Space
Shuttle
с той лишь разницей, что вместо двух
ТТУ, выполнявших на шаттле роль первой ступени, мы
предложили четыре
унифицированных жидкостных ракетных блока, работающих на
освоенном топливе керосин (РГ-1) - жидкий кислород. Этот выбор основывался на
реальном учете состояния твердотопливного двигателестроения в нашей стране, а
также на стремлении получить большую энерговесовую отдачу
I
ступени для компенсации потерь в массе полезного груза из-за более высокой, по
сравнению с американской, географической широты старта. Кроме того, при этом
принималась во внимание возможность получения меньшей конечной массы блоков
I
ступени, что упрощало проблемы их спасения при возвращении на твердый грунт для
многоразового использования.
Первый вариант нашей МКС "Буран"
имел стартовую массу 2380 т и состоял из четырех модульных блоков "А"
I
ступени, оснащенных перспективным ЖДР РД-123 с тягой на уровне моря 600 тс,
сгруппированных вокруг подвесного топливного отсека, который вместе с
орбитальным самолетом ОС-120 образовывал вторую ступень системы выведения.
Модульные блоки первой ступени предполагалось спасать для повторного
использования. Одноразовым элементом системы являлся только топливный отсек
второй ступени, который имел аналогичную
Space
Shuttle
компоновку: в верхней части размещался бак с окислителем, в
нижней - бак с горючим (жидкий водород). Баки не имели общей теплоизолированной
стенки и разделялись силовым межбаковым отсеком, внутри которого размещались
аппаратура бортовых систем, а к наружнему силовому поясу-шпангоуту через верхние
силовые узлы крепились боковые блоки
I
ступени.
Уровень советских производственных
технологий наложил свой отпечаток - наша МКС получилась тяжелее
шаттла. Подвесной топливный отсек
II
ступени, при массе заправляемого топлива примерно равной массе топлива системы
Space
Shuttle, был принят в
проекте с худшими массовыми характеристиками, что было связано с отставанием от
американского уровня как по механическим конструкционным материалам, так и по
технологии изготовления крупногабаритных баковых систем. Указанные особенности
также делали целесообразным применение на
I
ступени жидкостных ракетных блоков с повышенными, по сравнению с
твердотопливными, энергетическими возможностями.
Орбитальный самолет по аналогии с
Space
Shuttle
представлял собой многоразовый космический аппарат
самолетного типа, что обеспечивало ему широкие возможности для бокового маневра
при спуске и горизонтальную посадку на специальную посадочную полосу. Отметим,
что по воспоминаниям проектировщиков, орбитальный самолет ОС-120 разрабатывался
в спешке, без глубокой проработки конструкции и условий применения, и являлся
формальным, "на скорую руку", ответом на возникший интерес заказчика.
ОС-120 должен был иметь три перспективных многоразовых
кислородно-водородных ЖРД 11Д122 (разработки КБХА) тягой по 250 тс
c
удельным импульсом 353 сек на земле и 455 сек в вакууме. Размещение маршевых ЖРД
на ОК имело целью обеспечить их многократное использование и сократить стоимость
эксплуатации системы, однако при этом была невозможна автономная отработка
системы выведения и затруднена автономная летная отработка и транспортировка
орбитального самолета.
Советский аналог
орбитальной ступени
Space
Shuttle
- вариант "ОС-120" получался тяжелее (полная
стартовая масса 155,35 т, масса на орбите ИСЗ 120 т включала 30 т
полезного груза, посадочная - 89 т) за счет применения на пилонах в
хвостовой части двух РДТТ системы аварийного спасения,
предназначенных для экстренного отделения ОК от топливного отсека
при возникновении аварийной ситуации на участке выведения. Все
другие главные проектно-конструкторские решения были скопированы с
шаттла, вплоть до размещения кормовых блоков двигателей
ориентации и орбитального маневрирования вместе со всей арматурой и
запасами топлива в двух хвостовых мотогондолах, выступающих за
внешние обводы фюзеляжа.
ОС-120 выглядел "грузно и тяжело", в первую очередь за счет
сглаженной "квадратности" поперечных сечений фюзеляжа. Из-за
массивных угловатых форм он был лишен той утонченности и изящества,
свойственных гиперзвуковым крылатым аппаратам. Недостаточная
проработанность аэродинамики, выразившаяся в наличии больших плоских
поверхностей и рубленных форм, несла на себе "родовые черты"
ракетостроительной фирмы, имевшей богатый опыт проектирования
спускаемых аппаратов с малым аэродинамическим качеством.
Аэродинамическая компоновка орбитального самолета
ОС-120:
1 - носовой блок импульсных двигателей
реактивной системы управления; 2 - передние иллюминаторы
пилотской кабины; 3 - верхние иллюминаторы констроля
стыковки (2 шт.); 4 - подвижные створки грузового отсека (8
шт.); 5 - сопло маршевого кислородно-водородного ЖРД 11Д122
(3 шт.); 6 - люки системы наддува и вентиляции планера (по 6
шт. с каждого борта); 7 - теплозащитные секции передней
кромки крыла; 8 - двухсекционные элевоны; 9 - выхлопной
патрубок вспомогательной силовой установки; 10 - левая
хвостовая мотогондола; 11 - правая хвостовая мотогондола; 12
- хвостовые блоки импульсных двигателей реактивной системы
управления в правой и левой мотогондолах; 13 - двигатель
орбитального маневрирования (2 шт, в правой и левой
мотогондолах); 14 - балансировочный щиток; 15 - корпус
сбрасываемого РДТТ системы аварийного спасения (САС); 16 -
контейнер тормозного парашюта в основании киля; 17 - сопло
РДТТ САС; 18 - киль; 19 - двухсекционный руль направления |
Аэродинамика советского шаттла была исправлена (как говорят
специалисты, "вылизана") только после 1976 г., уже на орбитальном
корабле "Буран" (11Ф35), когда к проектированию подключилась
авиационная фирма -
НПО "Молния".
Согласно оценкам, стоимость
создания МКС с кораблем ОС-120 была близка к объявленной стоимости разработки
шаттла,
однако при расчетах не учитывались затраты на разработку самолета-носителя
Ан-124 и посадочных комплексов нового корабля.
При разработке первого варианта МКС
были выявлены некоторые особенности и трудности в реализации проекта,
связанные с недостаточным опытом создания элементов авиационно-космических
систем, производственно-технологическими возможностями промышленных предприятий
и испытательно-отработочной базы. Проектировщики предполагали, что не только сам
корабль ОС-120 будет похож на шаттл, но
и технология его транспортировки и методика проведения начального этапа летной
отработки (в частности, атмосферные полеты) будут
повторять американские. В начале наших работ по МКС
ситуация была далеко не блестящей. Вот как через 13 лет о состоянии дел в нашей
ракетно-космической отрасли напишет Игорь Садовский,
первый Главный конструктор МКС:
"На период 1974-1977 гг.
наше отставание от США оценивалось в 15 лет. Оно выражалось в отсутствии у нас
стендов, заводов и опыта работы с большими массами жидкого водорода, опыта
работы по многоразовым ЖРД, необходимой (по мнению начальника ЦАГИ Г.П.Свищёва)
аэродинамической базы, опыта по крылатым КА, не говоря уже об отсутствии такого
аналога, как Х-15 в США, опыта авиационных
транспортировок, да и отсутствия самолетов класса "Боинг-747".
МКС
с кораблем ОС-120 при равенстве с
шаттлом
по выводимой на орбиту массе полезного груза имела лучшие энергетические
возможности, обусловленные разной широтой старта. Действительно, расчетная масса
полезного груза, выводимая ОС-120 с Байконура,
составляет 30 т для круговой орбиты высотой 200 км и наклонением
i
= 50,7º. Система
Space
Shuttle,
стартуя с мыса Канаверал, выводит 29,5 т на круговую орбиту высотой 185 км с
наклонением
i
= 28,5º. Благодаря большей близости к экватору при запуске в восточном
направлении
шаттл
получает дополнительный прирост орбитальной скорости за счет собственного
вращения Земли. Если принять условия пусков ОС-120 и
шаттла
одинаковыми (равные наклонения, широта старта и высоты круговой орбиты), то наша
система была способна вывести больший полезный груз, чем
шаттл:
-
на ~ 5,4 т (или на ~ 18%) при наклонении
i
= 28,5º,
-
на ~ 3,5 т (или на ~ 12%) при наклонении
i
= 90º-97º.
Таким
образом,
вариант МКС с кораблем ОС-120 не уступал
американской системе
Space
Shuttle по
своим основным летно-техническим характеристикам и удовлетворял требованиям,
которые определились в ходе исследований, проведенных в организациях МОМа и МО
СССР.
Одновременно с этим он имел резервы для повышения весового совершенства и
эффективности. В частности, улучшение конструкции, применение более совершенных
конструкционных и теплозащитных материалов с использованием прогрессивной
технологии должны были улучшить массовые характеристики кислородно-водородного
топливного отсека.
В то же время, являясь
фактической копией
шаттла,
ОС-120 унаследовал и все его основные недостатки:
-
сложность автономной летной отработки системы выведения без
II
ступени и необходимость проведения испытательных пусков только
совместно с дорогостоящим ОК. Более того, за плечами проектировщиков
ОС-120 был печальный опыт неудачных пусков
Н1
совместно с лунным экспедиционным комплексом, который так и не
удалось вывести на орбиту из-за четырех аварий РН;
-
большой объем доработок системы выведения МКС в случае необходимости
создания в
СССР
самостоятельного тяжелого носителя для решения в космосе специальных
военных и научных (в том числе лунных) задач;
-
необходимость передачи тягового усилия от маршевых ЖРД дополнительно
нагружает фюзеляж ОК, что увеличивает его массу и массу всего
корабля в целом;
-
расположение крупногабаритных ЖРД в хвостовой части корабля "портит"
аэродинамику, увеличивая донное сопротивление и снижая
аэродинамическое качество;
-
наличие крупных масс в хвосте обуславливает заднюю центровку пустого
корабля, что существенно снижает эксплуатационные диапазоны
центровок полезных грузов, размещаемых в грузовом отсеке. Этим
отчасти и объясняется тот факт, что за все время эксплуатации
шаттлов
ни в одном из
более чем сотни полетов
ни разу
шаттл
не доставил на орбиту груз, близкий к максимальной грузоподъемности
корабля. Причина в том, что слишком сложно разработать единую или
составную полезную нагрузку общей массой 25-29 т с условием, чтобы
ее центр масс лежал в таком узком диапазоне корабельных координат.
Причем теоретически вывести такой груз на орбиту в штатном полете
Space Shuttle
может, но критическим является аварийный случай, когда при
возникновении нештатной ситуации во время старта необходимо
реализовать маневр возврата с полной загрузкой для посадки на ВПП в
районе стартового комплекса. В такой ситуации, когда нет возможности
избавится от полезного груза перед посадкой, его вес и положение
центра масс, обуславливающие общую центровку корабля, становятся
определяющими;
-
значительные размеры и масса ОС-120, связанные с установкой на нем
ракетных двигателей
II
ступени, что приводит к необходимости использования при его
транспортировке (перебазировании) тяжелого транспортного
самолета-носителя с грузоподъемностью порядка 100 т. В то время ОКБ
Олега Антонова в Киеве еще только приступило к проектным проработкам
тяжелого транспортного самолета Ан-124, и было совершенно очевидно,
что его создание потребует времени, превосходящего требуемые сроки.
Так и вышло - свой первый полет опытный образец "Руслана" совершил
только 21 декабря 1982 г., а к эксплуатационным полетам он был готов
еще спустя несколько лет, в то время как отработку ОС-120
планировалось начать уже в 1981 году. Но даже наличие
самолета-носителя требуемой грузоподъемности не решало проблему
летной отработки ОС-120 на околозвуковых и сверхзвуковых скоростях;
-
МКС имела минимальную тяговооруженность 1,25, что не позволяло при
ухудшении конструктивного совершенства системы выведения
компенсировать потери полезного груза за счет увеличения стартовой
массы МКС (долива топлива в
I
или
II
ступень).
Была еще одна проблема,
казавшаяся в середине 1970-х гг. трудноразрешимой. Все дело в том, что на ОС-120
помимо разрывных связей, которыми крепился корабль к внешнему топливному баку,
имелись еще и внешние разрывные криогенные топливные
магистрали большого сечения, которые необходимо было быстро и надежно закрыть
после отделения топливного бака. Аналогов, как и опыта проектирования и
эксплуатации таких большеразмерных клапанов, у нас не было, и их создание и
отработка представлялись сложной инженерной задачей.
К сказанному нужно добавить, что проект МКС с орбитальным самолетом ОС-120 из-за
необходимости совместной отработки не позволял догнать по срокам программу
создания
Space
Shuttle, хотя
бы частично скомпенсировав имеющееся отставание.
Все недостатки
варианта МКС с орбитальным самолетом ОС-120 были выявлены при защите проекта на
Совместном научно-техническом совете МОМ и МО и отражены в его решении от 29
июля 1975 г. Решение предписывало НПО "Энергия" провести оптимизацию основных
тактико-технических характеристик и уточнить облик МКС. Именно в результате
последующей работы и появился вариант МКС с орбитальным
кораблем ОК-92, "переросший" затем в известный всему миру "Буран".
Всем,
кто хочет узнать гораздо больше об аэрокосмических самолетах,
мы рекомендуем нашу книгу (см. обложку слева)
"Космические крылья", (М.:ООО "ЛенТа странствий", 2009. - 496с.:ил.). На
сегодняшний день это самый полный русскоязычный рассказ об истории и технических
особенностях десятков проектов авиационно-космических систем. Вот как об
этом сказано в аннотации книги:
"Книга посвящена этапу возникновения и развития крылатых
ракетно-космических систем, которые рождались на "стыке трех стихий" - авиации,
ракетной техники и космонавтики, и вобрали в себя не только конструктивные
особенности данных видов техники, но и весь ворох сопровождающих их технических
и военно-политических проблем.
Подробно излагается история создания воздушно космических аппаратов мира - от
первых самолетов с ракетными двигателями времен II Мировой войны до начала
реализации программ Space Shuttle (США) и "Энергия-Буран" (СССР).
Книга, рассчитанная на широкий круг читателей, интересующихся историей авиации и
космонавтики, особенностями конструкции и неожиданными поворотами судьбы первых
проектов авиационно-космических систем, содержит на 496 страницах около 700
иллюстраций, значительная часть которых публикуется впервые."
Содействие в подготовке публикации оказали такие предприятия
авиационно-космического комплекса России, как
НПО "Молния",
НПО машиностроения, ФГУП РСК "МиГ",
ЛИИ имени М.М.Громова, ЦАГИ, а также музей Морского космического флота.
Вступительная статья написана генералом В.Е.Гудилиным,
легендарной личностью нашей космонавтики.
Получить более полное представление о книге, ее цене и
возможностях приобретения можно на
отдельной странице. Там
же можно познакомиться с ее содержанием, оформлением, вступительной статьей
Владимира Гудилина,
предисловием авторов и выходными данными издания.
|