Воздушно-космические летательные аппараты.
Н.В. КАЛАШНИКОВ, А.П. КОВАЛЁВ, А.В. ЛОСИК — Воздушно-космические летательные аппараты. История конструирования в ХХ веке и перспективы
N.V. KALASHNIKOV, A.P. KOVALYOV, A.V. LOSIK – Aerospace aircraft. History of their design in the twentieth century and prospects
Аннотация. В статье анализируется история создания воздушно-космических систем в ХХ веке и высказываются прогнозы по поводу развития этих систем в XXI веке. Отмечается выдающаяся роль немецкого инженера Э. Зенгера, идеи которого о воздушно-космических летательных аппаратах составили основу для развития перспективного вида авиационно-космической техники. Рассматривается вклад в разработку и конструирование указанной техники как зарубежных учёных и конструкторов, так и отечественных создателей этого вида техники.
Summary. The article analyses the history of the creation of aerospace systems in the twentieth century and forecasts about the development of these systems in the 21st century. The outstanding role of the German engineer E. Zenger is noted. His ideas on aerospace aircraft were the basis for the development of a promising aerospace equipment. The author considers the contribution to the development and design of this equipment by foreign scientists and designers, as well as domestic creators of this class of equipment.
В опубликованной в 1934 году автобиографии немецкий инженер Э. Зенгер писал: «Ещё в средней школе в курсе физики рассматривались вопросы из области ракетной техники. После того, как в 1926 г. стало в основном известно о возможности применения ракетного двигателя в качестве силовой установки высокоскоростных стратосферных самолётов, я начал изучать эту проблему более серьёзно»1.
Спустя несколько лет, в первой половине 1930-х годов была издана книга Зенгера «Техника ракетного полёта»2, впоследствии переведённая и опубликованная в СССР, в которой были изложены теоретические сведения о ракетном двигателе, применяемых топливах, аэродинамических силах для широкого диапазона высот и скоростей полёта, траекториях полёта и о возможных формах фюзеляжа и крыльев ракетного самолёта. В целом книга носила характер учебника.
Также Зенгер много времени посвятил решению прикладных задач, о чём свидетельствуют многочисленные документы, в том числе и патенты на изобретения.
Через три года после прихода к власти в Германии нацистов в 1936 году Зенгер был приглашён из Вены в Германию, где ему была поручена организация научно-исследовательского института техники ракетного полёта в Трауэне. Здесь перед ним была поставлена задача создания сверхскоростного сверхдальнего бомбардировщика3.
В 1939 году в Трауэне были подготовлены для работы лаборатории, мастерские, испытательные стенды и служебные помещения, и Зенгер с небольшой группой высококвалифицированных специалистов начал работы по предложенной им исследовательской программе. Эта программа должна была продолжаться десять лет. В соответствии с ней Зенгер наметил следующий ряд фундаментальных направлений, пробелы и проблемы которых предстояло решить до практической реализации проекта такого самолёта:
1) исследование аэродинамических нагрузок и рациональных форм поверхностей для полёта на скоростях, соответствующих числам М от 3 до 30;
2) изучение газовых течений химически реагирующих потоков;
3) определение аэродинамических сил при свободномолекулярном режиме обтекания;
4) поиск эффективного состава топлива;
5) исследования материалов, стойких к воздействию как очень высоких, так и очень низких температур;
6) конструирование турбонасосного агрегата высокого давления с приводом от паровой турбины для подачи горючего и окислителя в ракетный двигатель;
7) создание системы устойчивого зажигания для ракетного двигателя;
8) разработка камеры сгорания тягой 100 тс, рассчитанной на работу при высоких температурах и давлениях газа от 50 до 100 атм, с водяным охлаждением стенок;
9) проектирование катапультной установки для запуска самолёта со сверхзвуковой скоростью;
10) разработка математической теории и методов расчёта оптимальных траекторий дальнего ракетного самолёта4.
Спустя три года работы по ракетному бомбардировщику были прекращены. Ещё двумя годами позже Зенгер в ста экземплярах выпустил отчёт о проделанных работах, который в 1946 году был издан известным авиаконструктором В.Ф. Болховитиновым в СССР под названием «Дальний бомбардировщик с ракетным двигателем»5.
Что же представлял из себя бомбардировщик Зенгера?
По замыслам Зенгера, конструкция самолёта должна составлять 10 проц. от его стартовой массы 100 т. При длине самолёта 28 м и размахе крыльев 15 м основные элементы конструкции ракетного бомбардировщика имеют следующие весовые характеристики: кабина 500 кг, ракетный двигатель 2500 кг, крылья 2500 кг, что соответствует весу квадратного метра крыла, равному 56 кг, фюзеляж 3250 кг, хвостовое оперение, шасси, бомбовый отсек и т.д. 1250 кг. Остальные 90 т — различные сочетания полезной нагрузки (авиабомбы) и топлива (рассмотрены варианты бомбовой нагрузки от 0,3 т до 65 т)6.
Старт самолёта предполагалось осуществлять путём его разгона по рельсовой направляющей ракетной тележкой до скорости 500 м/с7.
Для работы ракетного двигателя должны были применяться топливные пары с высоким удельным импульсом. При этом большие надежды возлагались на возможность диспергирования лёгких металлов в углеводородном топливе и применения в качестве окислителя жидкого кислорода, обогащённого жидким озоном8.
Выгодность комбинированного горючего объясняется следующим образом. Ввиду того, что температура, развивающаяся при горении октана и составляющая 3700 К, на 830°С ниже, чем температура испарения продукта сгорания алюминия Al2O3, наибольшим теплосодержанием будет обладать горючее с таким соотношением компонентов, при котором алюминия достаточно, чтобы прогреть продукты сгорания октана до температуры 4500 К. Такое теплосодержание обеспечивается при дисперсии алюминия в октане, равной 60,5 проц.9
Следует отметить, что немцами на рубеже 1930—1940-х годов были разработаны технологии, позволявшие в промышленных масштабах получать диспергированную смесь алюминия в октане, пригодную для хранения в течение двух недель без выпадения осадка алюминия и для турбонасосной подачи без сепарации веществ.
Зенгер показывает, что применение в качестве окислителя жидкого озона даёт приращение теоретического удельного импульса на 10 проц. Также очевидны и следующие преимущества жидкого озона перед жидким кислородом: температура кипения -112°С (у кислорода -183°С) и плотность 1350 кг/м3 (у кислорода 1140 кг/м3). Но чистый озон взрывоопасен как в газообразном, так и в жидком виде10.
Были проведены исследования возможности применения жидкого кислорода, обогащённого жидким озоном. Выявлено, что в газообразном состоянии смесь безопасна при содержании озона менее 25 проц. (по весу). В широком пределе процентных соотношений и температур в жидкой фазе имеет место пробел смешиваемости, при котором озон будет выпадать в осадок. Наиболее богатая смесь (25 проц.) возможна при температуре -183°С. С понижением температуры возможны только более бедные смеси. Также нужно принять во внимание, что ввиду постоянного испарения кислорода процентное соотношение жидкого озона в смеси будет увеличиваться, что приведёт к его выпадению в осадок. Это в свою очередь может привести к взрыву. Можно избежать испарения кислорода, применив переохлаждённую смесь. Но тогда содержание озона в смеси нужно снизить соответственно снижению температуры.
Весьма интересны в этом направлении работы американских и немецких специалистов по разработке первых вариантов воздушно-космических систем.
После падения фашисткой Германии ракетные секреты рейха стали доступны союзникам, чем последние не преминули воспользоваться.
После войны строительство ракетопланов в США велось в экспериментальных целях для освоения новых высот полёта и новых скоростей. 14 октября 1947 года лётчик Чак Егер достиг на ракетоплане Х-1 скорость М = 1,05, впервые в мире преодолев сверхзвуковой барьер. Самолёт Х-1 был создан для изучения эффектов на сверхзвуковой скорости. Следующим этапом развития технологий высокоскоростного полёта в США стало появление ракетоплана Х-15, с помощью которого были достигнуты большие гиперзвуковые скорости (максимальные скорость полёта М = 6,7 и высота Н = 107,96 км)11. В конце 1950-х ВВС США решили считать астронавтами пилотов, которые поднялись выше условной «круглой» отметки 50 миль (80 467 м). Если признать эту границу, можно сказать, что до самого последнего времени Х-15 оставался единственным пилотируемым ЛА, который летал в космос, не будучи предназначенным для орбитального полёта. Кроме того, американцы считают его и первым космическим кораблём многократного использования. За счёт полётов Х-15 США пытались существенно оторваться от СССР по числу космонавтов. Однако вне Америки никто такие полёты космическими не признавал12.
Большой размах в США получили работы по программе создания многофункционального ракетоплана Х-20 «Dyna-Soar», который стал предтечей системы «Space Shuttle», хотя он и не был доведён до стадии лётно-конструкторских испытаний.
Также рассматривались многочисленные варианты летательных аппаратов с несущим корпусом, но ни один из них не продвинулся дальше испытательных полётов дозвуковых самолётов-аналогов.
В Европе в области проектирования воздушно-космических систем дальше всех продвинулись немцы, которые ещё во время войны смогли довести реактивные самолёты до серийного производства. После войны Зенгер вёл работы по созданию перспективной двухступенчатой воздушно-космической системы RT-8. Но после его смерти в 1964 году в течение нескольких лет работы в Германии постепенно были свёрнуты.
Первые отечественные варианты конструкций воздушно-космических систем, к сожалению, появились много позже своих зарубежных аналогов.
После того как в СССР стало известно о проводившихся в Германии работах над ракетным бомбардировщиком, самое пристальное внимание уделил этой проблеме И.В. Сталин. Коллективу учёных под руководством М.В. Келдыша было поручено произвести оценку возможности создания подобного ракетного бомбардировщика в СССР. В предельно сжатые сроки, диктовавшиеся потенциальной угрозой Советскому Союзу со стороны бывших союзников по Второй мировой войне, И.В. Сталину такая информация была предоставлена13.
В отчёте Келдыша указывается на возможность создания кислородно-керосинового ракетного двигателя тягой сто тонн. Но достижимым удельным импульсом в то время был только наименьший из рассматривавшихся Зенгером — 3 тыс. м/с, и то при работе двигателя в вакууме. Также ставилась под сомнение возможность изготовления столь совершенной конструкции самолёта, чтобы её масса составляла 10 проц. от стартовой массы. Для компенсации вышеуказанных потерь был рассмотрен вариант комбинированного применения ЖРД и прямоточного воздушно-реактивного двигателя. Такая комбинация, по мнению разработчиков, должна была способствовать достижению скорости порядка 5 тыс. м/с и дальности полёта до 12 тыс. км при остаточном весе самолёта в 22 проц.14
Но создание в СССР ракетного бомбардировщика в конце 1940-х — начале 1950-х не было осуществлено. Первые успехи советских ракетчиков под руководством С.П. Королёва показали возможность достижения требуемых дальностей другим, более простым путём. А потянуть две такие программы (создание ракетных бомбардировщиков и баллистических ракет дальнего действия) наша страна не могла. Нужно было правильно расставить приоритеты. От этого зависело само существование Советского государства.
Позже в Советском Союзе конструкторскими бюро под руководством П.В. Цыбина, В.М. Мясищева, В.Н. Челомея и А.Н. Туполева независимо друг от друга разрабатывались конструкции космических самолётов, но ни одна из них не была воплощена по различным причинам, в том числе и по причине, указанной выше.
Тем не менее наша страна, её экономический потенциал в этом направлении постепенно преодолевал трудности и совершенствовался. Например, показательно развитие техники и современных технологий в то время от авиационно-космической системы «Спираль» до многоразовой космической системы «Энергия — Буран».
В соответствии с пятилетним Тематическим планом ВВС по орбитальным и гиперзвуковым самолётам практические работы по крылатой космонавтике в нашей стране в 1965 году были поручены ОКБ-155 А.И. Микояна, где их возглавил 55-летний главный конструктор ОКБ Глеб Евгеньевич Лозино-Лозинский. Тема по созданию двухступенчатого воздушно-орбитального самолёта (в современной терминологии — авиационно-космической системы — АКС) получила индекс «Спираль».
Когда знакомишься с материалами по проекту «Спираль», как пишут авторы монографии, невольно ловишь себя на мысли, что, если не обращать внимания на пожелтевшие машинописные страницы и несколько устаревшую терминологию, перед тобой не документы сорокалетней давности, а совершенно секретная конструкторская документация сегодняшнего времени, причём разработанная с учётом как минимум десятилетней перспективы развития авиационно-космических систем! Творческая дерзость конструкторов просто восхищает15! <…>
Полный вариант статьи читайте в бумажной версии «Военно-исторического журнала» и на сайте Научной электронной библиотеки http:www.elibrary.ru
ПРИМЕЧАНИЯ
1 Зенгер-Бредт И. Вклад Э. Зенгера в разработку жидкостных ракетных двигателей с регенеративным охлаждением (1926—1936 гг.). См. интернет-ресурс: http://epizodsspace.airbase.ru (дата обращения: 4 декабря 2015 г.).
2 Зенгер Э. Техника ракетного полёта. М.: Оборонгиз, 1947. 300 с.
3 Афанасьев И.Б. Проект «антиподного» бомбардировщика Зенгера и работы на его основе, проведённые в других странах // Вестник ОНТИ ЦАГИ. 1993. № 1. С. 16.
4 Там же. С. 16, 17.
5 Зенгер Э., Бредт И. Обзор трофейной техники. Вып. 1. Дальний бомбардировщик с ракетным двигателем / Под ред. В.Ф. Болховитинова. М.: Воениздат МВС СССР, 1946. 247 с.
6 Там же. С. 87.
7 Там же. С. 128—138; Лукашевич В.П., Афанасьев И.Б. Космические крылья. М.: Лента Странствий, 2009. С. 42.
8 Зенгер Э., Бредт И. Указ. соч. С. 36, 65—68, 77—79.
9 Там же. С. 65—68.
10 Там же. С. 77—79.
11 Лукашевич В.П., Афанасьев И.Б. Указ. соч. С. 96.
12 Там же. С. 88.
13 Келдыш М.В. Избранные труды. Ракетная техника и космонавтика. М.: Наука, 1988. С. 22—34.
14 Там же. С. 23.
15 Лукашевич В.П., Афанасьев И.Б. Указ. соч. С. 208.