Индустрия - Инженерная газета (г.Москва)
11 мая 2005, N 017

На крыльях в космос и обратно на Землю

XXI век будет веком "крылатого космоса", неоднократно утверждал основатель НПО "Молния" и создатель космического "Бурана", генеральный конструктор Г.Е.Лозино-Лозинский. Он был убежденным сторонником многоразовых космических транспортных систем, в которых многократность использования основных элементов и снижение за счет этого затрат на выведение грузов на орбиту обеспечивает крыло. И считал, что опыт, достигнутый НПО "Молния" совместно с большой кооперацией предприятий и институтов по программам "Спираль", "БОР", "Энергия-Буран", МАКС, является национальным достоянием.

Мы же считаем своей главной задачей не только сохранение этого достояния, но и его эффективное использование в перспективных разработках. Но сначала, с учетом поправок на время, должны тщательно проанализировать, что уже знаем и чему, образно говоря, должны научиться.

Собственно научно-производственное объединение "Молния" было создано в 1976 году именно для разработки, изготовления и испытаний многоразового орбитального самолета "Буран". Задача эта была новой для отечественной авиационной промышленности. Она требовала решения ряда сложных научно-технических проблем, а значит - привлечения мощных ресурсов институтов Академии наук, НИИ и предприятий многих отраслей.

По высотам и скоростям полета, температурам, акустическим и вибрационным нагрузкам орбитальный самолет (ОС) должен был работать в условиях, не опробованных авиастроением. Для прохождения плотных слоев атмосферы нужно было создать многоразовую теплозащиту, которая для космического самолета должна была иметь удельный вес в четыре раза меньше, чем у существующих одноразовых космических летательных аппаратов, спускаемых с орбиты.

Следовало также разработать аппаратуру автоматической посадки, приводящую ОС с орбиты на аэродром. А затем - отработать эту аппаратуру и алгоритмы управления на летающих лабораториях, полноразмерных аналогах, специально созданных полунатурных стендах со всеми агрегатами, приборами, механизмами.

Для отработки принципов планирующего полета с большими гиперзвуковыми скоростями и для проверки работы многоразовой теплозащиты были выполнены орбитальные и суборбитальные полеты малых аппаратов-аналогов "БОР-4" (в конфигурации орбитального самолета "Спираль") и "БОР-5" (в конфигурации будущего "Бурана").

В кратчайшие сроки необходимо было создать уникальную лабораторно-стендовую испытательную базу, отладить новые технологии производства и испытаний планера. Работа велась на одной площадке и в тесном сотрудничестве с Тушинским машиностроительным заводом, которому по праву принадлежит главенствующая роль в создании совместно с НИАТ новейших технологий и всего процесса производства космического самолета.

Все это было сделано за 12 лет, после чего (15 ноября 1988 года) "Буран" совершил первый и, увы, единственный орбитальный полет с высокоточной автоматической посадкой, подтвердил правоту заложенных в его конструкцию технических решений.

В числе наиболее наукоемких и новаторских технологий, разработанных и внедренных при создании орбитального самолета "Буран" можно назвать оптическую разметку поверхности агрегатов под узоры гнезд плиток теплозащиты, переносные индивидуальные компараторы под обмер поверхности плиточных гнезд для создания математических копиров прилегающих поверхностей плиток теплозащиты, полноразмерный стенд оборудования (ПРСО), имитирующий работу систем орбитального самолета в штатных и нештатных ситуациях (за эту работу коллектив исполнителей был удостоен премии Совета Министров СССР). Особых усилий потребовало развертывание сверхчистого и высокоточного производства и сборки агрегатов вспомогательной силовой установки орбитального самолета. А также разработка методов неразрушающего контроля и диагностики, многих других технологий.

Для особо чистого и высокоточного изготовления плиток теплозащиты и технологической оснастки применялись уникальные отечественные станки и координатографы, был построен специализированный корпус N 111.

Совместно с ВИАМ, другими институтами и заводами мы испытывали новые материалы - углеродно-углеродные жаропрочные обтекатели, клеи, герметики и покрытия, теплозащитные пакеты из сверхчистого, сверхтонкого и особым образом спеченного стекловолокна с эпоксидным покрытием, теплоизоляционные панели и ленты из синтетического фетра. Словом, все необходимое для защиты узлов планера от температур свыше 1500⁰С.

В общих чертах мы знали, что американцы делают и испытывают крылатый многоразовый орбитальный самолет "Спейс шаттл". Но обилие материалов общего характера лишь подчеркивало отсутствие реальных сведений о заокеанских технологических процессах и особенностях конструкции планера и теплозащиты.

Самым важным отличием "Бурана" от "Спейс шаттла" была реализация автоматической посадки на аэродром после спуска с орбиты.

Для "Бурана" была принята специальная комплексная программа обеспечения надежности, включающая большой объем математического моделирования полета на цифровых вычислительных машинах, полунатурного моделирования на различных стендах и, наконец, отработки в натуральных летных испытаниях.

На стенде ПРСО было совершено более двухсот виртуальных полетов с моделированием процессов управления и отработкой директивной бортовой логики в штатных и нештатных ситуациях.

Созданная радионавигационная дальномерная приводная система с микроволновой системой управления посадкой отрабатывалась сначала на летающих лабораториях, под которые были оборудованы самолеты МиГ-25 и Ту-154. А затем - на специальном полноразмерном летающем аналоге, снабженном дополнительно воздушно-реактивными двигателями для самостоятельного взлета. На этом, так называемом, изделии 002 было осуществлено более двадцати полетов. Во второй половине этой работы совершалась автоматическая посадка на полосу аэродрома.

Многие технологии и технические решения, разработанные и опробованные в ходе реализации программы создания орбитального самолета "Буран", до сих пор находят свое применение в различных отраслях экономики. Например, методы неразрушающего контроля и диагностики использовались для оценки состояния космической станции "Мир", проверки трубопроводов различного назначения, объектов коммунального хозяйства. Находят свое применение различные сплавы и композитные материалы. И не только в авиационной и ракетно-космической отраслях.

Несмотря на то, что прошло уже довольно много лет, некоторые оригинальные решения, найденные и отработанные в процессе реализации проекта "Буран", могут стать в будущем основой для создания нового поколения авиационно-космических систем, реализующих преимущества как ракетно-космической, так и авиационной техники.

Так, например, значительным достижением стала воздушная транспортировка элементов системы "Энергия-Буран" на космодром Байконур. Для этой цели использовался самолет ВМ-Т "Атлант", созданный на ЭМЗ им. В.М.Мясищева на базе бомбардировщика ЗМ. Перед взлетом орбитальный самолет или бак ракеты "Энергия" устанавливались сверху над фюзеляжем носителя.

Позже для воздушной транспортировки элементов системы "Энергия-Буран" в АНТК им. O.K.Антонова был создан самолет-носитель Ан-225 "Мрия". "Буран" был доставлен на этом самолете во Францию, на Международный авиасалон в Ле Бурже. При создании Ан-225, этого самого грузоподъемного в мире транспортного самолета, изначально предусматривалось и другое его применение - в качестве летающей стартовой платформы в авиационно-космической системе выведения.

В этом случае для использования благоприятных условий для старта самолет-носитель должен выполнять задачи доставки космической ступени в зону пуска, которая может находиться на значительном удалении от базового аэродрома.

В середине 80-х годов, еще до завершения работ по "Бурану", были начаты работы по Многоразовой авиационно-космической системе (МАКС) с самолетом-носителем Ан-225. Вместе с НПО "Молния" в кооперации по этому проекту участвовали АНТК им. O.K. Антонова, НПО "Энергомаш", МОКБ "Марс", ЦАГИ, ЛИИ и многие другие предприятия и научно-исследовательские институты.

Разработаны три модификации второй (космической) ступени МАКС. Это - многоразовый ОС со сбрасываемым внешним топливным баком, одноразовый ракетный блок для выведения полезных грузов большой массы (до 18 т), и, наконец, полностью многоразовый ОС с топливными баками, интегрированными в его конструкцию.

В основном варианте космической ступени МАКС внутри отсека полезного груза пилотируемого орбитального самолета на опорную орбиту высотой 200 км и наклонением 51⁰ может быть выведен полезный груз массой примерно 8 тонн. Причем, при значительном снижении стоимости выведения по сравнению с существующими ракетами-носителями.

Воздушный старт с дозвукового самолета-носителя имеет ряд преимуществ по сравнению с наземным ракетным стартом. Так, возможность смещения точки пуска относительно базового аэродрома расширяет диапазон достижимых наклонений орбиты, позволяет производить запуск космической ступени непосредственно в плоскость заданной орбиты, что во многих случаях значительно сокращает время полета ОС к орбитальному объекту.

В результате предстартового маневра самолета-носителя создается оптимальное сочетание угла наклона траектории, высоты и скорости полета, в результате чего уменьшаются затраты ракетного топлива на выведение. Или повышается масса полезного груза.
Таким образом, самолет-носитель - это не только подвижная платформа для старта в удаленной точке, но и довольно эффективная первая ступень системы выведения.

Благодаря преимуществам подвижного воздушного старта наряду с традиционными задачами доставки на орбиту полезных грузов и экипажей космических станций появляется возможность эффективного решения ряда новых задач. Одна из них - обслуживание полезных нагрузок в течение всего их жизненного цикла. Оно включает их доставку к старту, выведение, размещение на орбите, дистанционный контроль, ремонт, возврат для повторного использования.

Возможен оперативный мониторинг орбитальных объектов - инспекция, облет, исследование, возвращение на Землю. А также оперативный дистанционный мониторинг земных регионов с низких суборбитальных высот с гиперспектральным зондированием поверхности Земли.

Появляется возможность очистки низких околоземных орбит от мусора, проведения операций по спасению экипажей орбитальных станций и космических кораблей с использованием орбитального самолета как корабля-спасателя, обслуживания орбитальных производств полупроводниковых материалов и медицинских препаратов.

Проработан ряд вариантов пилотируемого и беспилотного орбитального самолета МАКС, в частности, для транспортно-технического обслуживания космических станций.

По проекту МАКС выполнен большой объем расчетных, проектно-конструкторских и экспериментальных работ, включая продувки в аэродинамических трубах, полеты самолета-носителя Ан-225 с космическим летательным аппаратом на внешней подвеске, полноразмерное макетирование элементов космической ступени. Для орбитального самолета МАКС принята аэродинамическая схема "несущий корпус", которая была испытана в полетах аналога ОС "Спираль" - на дозвуковых скоростях, и экспериментального летательного аппарата "БОР-4" - на сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростях полета.

Важная особенность проекта МАКС - применение трехкомпонентного двухрежимного ракетного двигателя (ЖРД) разработки НПО "Техномаш". Успешно прошли огневые испытания экспериментального образца этого двигателя. Он сочетает в себе преимущества ракетных двигателей первых и верхних ступеней. Это - большая тяга в начале выведения (на первом режиме работы двигателя), а также пониженная тяга и высокий удельный импульс, как у лучших образцов перспективных кислородно-водородных ЖРД, в конце выведения (на втором режиме).

Трехкомпонентный ЖРД, потребляющий в качестве составляющих топлива углеводородное горючее, жидкий водород и жидкий кислород, может значительно улучшить характеристики систем выведения различных типов. Наибольший эффект от его применения достигается в полностью многоразовых системах наземного старта. Один из перспективных проектов такой системы (МКТС-ПМ) прорабатывается в рамках НИР "Ключ" по заказу Роскосмоса с участием ЦАГИ, Российской инженерной академии, НПО "Молния" и других организаций.

На крылатых ускорителях 1-й и 2-й ступеней предлагается установить такие же двигатели, как на орбитальном самолете МАКС. После разделения ускоритель 1-й ступени совершает аэродинамический маневр возврата к аэродрому посадки, расположенному вблизи старта. На заключительном участке возврата запускаются турбореактивные двигатели - например, такие, как на аналоге "Бурана" БТС-002. Эти двигатели обеспечивают полет к аэродрому и посадку самолетного типа.

Похожая концепция возврата многоразовых элементов системы выведения используется и в проекте семейства ракет-носителей "Ангара". НПО "Молния" совместно с ГКНПЦ им. М.В.Хруничева в рамках долгосрочного сотрудничества работает над проектом крылатого ускорителя "Байкал", макет которого демонстрировался в 2001 году на Международном авиасалоне в Ле Бурже. И позже - на авиасалоне в г. Жуковский.

Следует подчеркнуть, что опыт нашей авиационной промышленности, накопленный по программам "Спираль", "БОР", "Буран" и МАКС может использоваться не только при создании перспективных ОС.

Возвращаемые крылатые ускорители, такие, например, как "Байкал", выполняют возврат по неравновесной траектории с большими углами входа в плотные слои атмосферы. Подобные режимы полета мы специально исследовали при решении задачи спасения "Бурана" в случае экстренного спуска при возникновении аварии на траектории выведения на орбиту.

Многие наши наработки, включая результаты аэродинамических, газодинамических и прочностных исследований, разработок алгоритмов для системы управления (в том числе - для автоматической посадки, ) могут найти применение и при создании космических транспортных систем с многоразовыми крылатыми ускорителями.

За последние годы произошли кардинальные изменения в технологии проектирования. Оснащение современной компьютерной техникой, внедрение локальных сетей предприятия, применение эффективного программного обеспечения, в том числе - систем автоматизированного конструирования, - все эти мероприятия, на которые в НПО "Молния" затрачены значительные средства, позволяют выполнять проектно-конструкторские разработки при снижении трудозатрат и повышении качества.

В свою очередь, повышение точности и оперативности расчетных методов открывает новые возможности для оптимизации проектных параметров аэрокосмических летательных аппаратов и систем. И позволяет комплексно решать задачи геометрического моделирования, формирования математических моделей внешних обводов и внутренней компоновки, расчетной аэродинамики, баллистики, динамики полета, исследования операций, расчета температурных полей, проектирования теплозащиты и теплоизоляции; расчетов на прочность, разработки отдельных узлов и бортовых подсистем, обеспечения надежности, технико-экономического анализа.

Соединение богатого опыта работ по многочисленным аэрокосмическим проектам и современных технологий проектирования позволяет поддерживать необходимый научно-технический уровень предприятия несмотря на сложности с финансированием и недостатком заказов. Результаты наших исследований неоднократно докладывались на аэрокосмических конференциях в США, Европе, Японии, Китае. Нашими сотрудниками выпущен ряд монографий по аэрокосмической тематике и учебных пособий для студентов технических вузов.

НПО "Молния" имеет опыт международного сотрудничества в области перспективных аэрокосмических исследований. Ранее мы проводили совместные работы с Европейским космическим агентством по системе Ан-225/Хотол-Интерим, демонстратору технологий RADEM. В последнее время совместно с ЦНИИмаш проводим экспертизу проекта модификации европейского носителя "Ариан-5" с двумя крылатыми ускорителями.

Сегодняшние непростые экономические условия вызывают необходимость находить заказы в самых различных областях. Мы выполняем работы по подъемникам для инвалидных колясок, автоматизированным автомобильным стоянкам, в области городского общественного транспорта и многие другие. Наше научно-производственное объединение фактически превращается в многопрофильное предприятие.

Тем не менее мы делаем все возможное для сохранения своего потенциала как уникального аэрокосмического комплекса, обладающего огромным опытом. И готовы применить его для будущего.

Александр Башилов, генеральный директор ОАО "НПО "Молния",
академик-секретарь секции "Авиакосмическая" Российской инженерной академии

Переход на:

Web-master: ©Вадим Лукашевич 1998-2005
E-mail: buran@buran.ru