В этот день… №2-11 (11-20 февраля)
В истории ракетно-космической техники интересны не только осуществлённые проекты, но и те, которые, к сожалению, не были воплощены в металле. Начиная с февральского исторического обзора, будем вспоминать историю крылатых космических кораблей, которые так и не полетели в космос.
14 февраля 1972 года — запуск двигательной установки «Эол-1» на борту спутника «Метеор-10» (СССР).
Ещё в конце пятидесятых годов сотрудник института атомной энергии им. академика И. В. Курчатова (ИАЭ) А. В. Жаринов предложил схему создания электрического разряда в радиальном магнитном поле и разработал первые модели двигателя с анодным слоем, ускорение ионов в котором осуществлялось за счёт электростатического поля.
В 1962 году учёный из ИАЭ А. И. Морозов теоретически обосновал идею стационарного плазменного двигателя (СПД), отличительной особенностью которого являлся диэлектрический разрядный канал.
В двигателях этих типов ускорение рабочего тела происходит не за счёт газодинамических, а за счёт электрических сил. Последние во много крат сильнее. Например, атомы азота при температуре свыше 2000 К имеют энергию в доли электрон-вольта. Ускорив заряженные частицы разностью потенциалов в 200 вольт, им придают энергию соответственно 200 электрон-вольт, что почти в тысячу раз больше, чем тепловая энергия атомов при высокой температуре. Кроме того, за счёт изменения ускоряющего напряжения довольно просто изменять и скорость истечения струи в широких диапазонах.
После создания работоспособной модели СПД (в ИАЭ) встал вопрос о проведении лётно-космического эксперимента.
В мае 1969 года состоялась встреча академиков А. П. Александрова и А. Г. Иосифьяна, на которую были приглашены представители калининградского ОКБ «Факел» (правда тогда оно называлось филиалом ОКБ «Заря») Р. К. Снарский, К. Н. Козубский, Ю. Г. Кондаков и Б. Д. Мерзляков. В ходе обсуждения было принято решение об установке СПД на метеорологический КА «Метеор», который разрабатывал ВНИИЭМ.
Калининградскому предприятию было поручено проектирование, изготовление и экспериментальная отработка ДУ 12Е, которая была названа «Эол» — по имени греческого бога ветра. За основу был взят макет двигателя, разработанный в ИАЭ. Через два года СПД планировалось установить на КА.
В ходе исследований, проведённых в Калининграде, были уточнены параметры двигателя, которому присвоен индекс М-60. При мощности 400 ватт и напряжении 160 вольт двигатель развивал тягу 2 грамма. Этого было достаточно для коррекции орбиты двухтонного «Метеора».
 |
|
Двигательный блок системы коррекции орбиты КА «Метеор» на основе СПД: |
КДУ состояла из двух двигательных блоков, системы хранения и подачи рабочего вещества (ксенон), системы преобразования энергии и управления. Основные характеристики КДУ: энергопотребление — 500 Вт; тяга двигателя — (1,8-2,3)∙10-2 Н; скорость истечения — 20 км/с! Масса двигательного блока — 1,5 кг, системы хранения и подачи рабочего вещества — 17 кг, системы преобразования энергии и управления — 12 кг, запас рабочего вещества — 2,4 кг.
После завершения приёмочных испытаний лётный образец ДУ «Эол-1» был установлен на метеорологический спутник «Метеор-10», запуск которого состоялся 29 декабря 1971 года. Эта дата стала переломной в истории СПД. На борту «Метеора-10» стоял также плазменно-ионный двигатель (ПИД). В одном эксперименте планировалось проведение сравнительных испытаний двух типов двигателей. Однако ПИД запустить не удалось, и в соревновании победил СПД.
Впервые «Эол-1» был включён 14 февраля 1972 года в 7 часов утра. Нужно было принимать срочное решение о дальнейшей эксплуатации КДУ, так как в то время существовала гипотеза о том, что истекающая из СПД плазма может заэкранировать КА, сделав радиосвязь с ним невозможной. Чтобы не потерять управление в такой ситуации, автоматика через двенадцать минут должна выключить двигатель. Но при этом был риск, что повторного включения не произойдёт. Убедившись, что со спутником поддерживается надёжная связь, в последнюю минуту подали команду, блокирующую выключение.
В первом эксперименте двигатель проработал непрерывно 170 часов, подняв орбиту «Метеора» на 15 км. Как и опасались, повторный запуск двигателя не прошёл. Истекающая плазменная струя разрушила торцевую часть катода, замкнув его электрические цепи. К этому моменту наработка двигателя почти вдвое превысила заданную. Так была открыта дорога в космос для СПД.
14 февраля 1957 года — NASA сформировало комитет «Круглая тройка» (Round Three) по исследованию создания гиперзвукового ракетоплана (США).
В 50-е годы ХХ века, когда готовился пилотируемый полёт человека в космос, соревнование шло не только между Советским Союзом и США, но и между различными концепциями реализации средств выведения и космических кораблей.
 |
|
Схема опытной модели ракетного двигателя Зенгера: |
Средство для запуска в космос к этому времени уже было известно — это ракета с двигателями на химическом топливе. А вот облик космического корабля мог быть самым разным. И определялся он прежде всего способом возвращения корабля из космоса на Землю, когда необходимо уменьшить скорость от первой космической до нуля. Это можно было сделать либо с помощью реактивной силы (бортовой РД, работающий на торможение) или же при помощи аэродинамических сил, возникающих при движении аппарата в атмосфере. К началу космической эры инженеры (как американские, так и советские) рассматривали две основные схемы корабля: крылатую и баллистическую.
Поскольку первые пилотируемые КК создавались в условиях космической гонки, а следовательно, требовались минимальные сроки реализации программы запуска человека в космос и высокая степень безопасности такого полёта. Эти факторы и определили облик первых пилотируемых кораблей («Восток» и «Меркурий»). Но эти же факторы ограничивали возможности первых КК решением одной задачи — подтверждение возможности полёта человека в космос и его работы на орбите. Для достижения других целей научного и военно-прикладного характера эти корабли не годились. Они не могли маневрировать в космосе и атмосфере, имели низкую точность посадки. Высокие тепловые и динамические нагрузки при спуске исключали возможность повторного применения корабля. Эксплуатацию одноразовых КК также нельзя было назвать оперативной.
По мнению военных специалистов указанные недостатки могли быть исключены при переходе к крылатым аппаратам. И в США, и в СССР работы в этой области активно развивались с середины 50-х годов. Причём американцы значительно опережали наших разработчиков и по широте охвата работ, и по срокам создания ракетопланов.
Ещё 1 октября 1956 года специалисты NASA начали исследование возможности модификации пилотируемого экспериментального ракетного самолёта Х-15 (обзор №1-02 16–30.11.2015) в космический корабль. 14 февраля 1957 года во время анализа такой модификации и был сформирован комитет «Круглая тройка» по исследованию возможности создания гиперзвукового ракетоплана. Он рассматривался как третья главная программа исследований в области высокоскоростного полёта: первыми двумя были скоростные машины серии Х (обзор №1-03 1–15.12.2015), а второй — собственно ракетоплан Х-15.
Компания North American Aircraft (NAA) предложила запускать усовершенствованный Х-15 на низкую одновитковую орбиту с помощью двухступенчатого носителя, который мог быть получен на базе четырёх стартовых ускорителей крылатой ракеты «Навахо» (Navaho); собственный двигатель ракетоплана служил бы для довыведения на орбиту.
Вот на двигателях стартовых ускорителей межконтинентальной крылатой ракеты (МКР) «Навахо» стоит остановиться поподробнее. Первый двигатель для этого снаряда (вариант «Навахо I») был модификацией ЖРД ракеты А-4. Поскольку возможности конструкции с несвязанными оболочками были исчерпаны, то для повышения характеристик двигателей американские конструкторы опять обратились к чужому опыту. Они воспользовались идеями Ойгена Зенгера (Eugen Sänger), которые относились к камерам трубчатой конструкции. Такие камеры позволяли реализовать высокий уровень давления, а малая толщина трубок способствовала хорошей теплопередаче от продуктов сгорания к проточному охладителю. Но большие камеры, изготовленные намоткой одной-двух трубок, имели бы слишком большие гидравлические потери. Поэтому вспомнили об одном из патентов того же Зенгера, в котором автор предлагал изготавливать камеры ЖРД с продольным расположением трубок. Для того чтобы такая камера не потеряла устойчивость, она стягивалась наружными бандажами.
В 1953 г. был создан первый в США двигатель трубчатой конструкции (XLR71-NA-1), предназначавшийся для самолёта-снаряда «Навахо-II». Двигатель имел тягу 535 кН, давление в камере — 2,25 МПа (такое же, как и на ЖРД варианта «Навахо I»). Впервые также был предусмотрен газогенератор, работавший на основном топливе, подававшемся в него из распределительных трубопроводов за турбонасосным агрегатом. В следующем году был создан улучшенный его вариант для снаряда «Навахо-III». Этот ЖРД (XLR83-NA-1) имел тягу 613 кН при давлении в камере 3,58 МПа, удельный импульс — 2600 м/с. Двигатель работал уже на керосине и жидком кислороде. Мощность его трубонасосного агрегата возросла по сравнению с ЖРД для «Навахо-I» почти в 3 раза и достигла 1764 кВт.
Двигатели для самолёта-снаряда «Навахо» сыграли большую роль в развитии ракетной техники США, именно они определили конструкцию многих других маршевых ЖРД американских РН «Тор», «Атлас», «Титан», являвшихся, по сути, модификациями XLR83-NA-1.
Совершенствование ракетных двигателей в США сопровождалось улучшением технологии их производства. Так, например, с появлением трубчатых конструкций была разработана технология создания камер, в соответствии с которой трубки формовались под давлением до необходимой конфигурации поперечного сечения, затем устанавливались «в оправку, обжимались с целью получения между ними зазора размером не более 0,076 мм и, наконец, паялись с использованием серебряного припоя. К концу 50-х гг. был разработан новый технологический процесс автоматической пайки трубчатых камер (в среде инертного газа) в специальных печах, что сократило сроки указанной операции с 365 до 6 ч. Изготовление многих других агрегатов ЖРД, таких, как форсуночные головки, ТНА и ГГ, требовавшее высокой точности, осуществлялось с помощью станков с программным управлением, использование которых для операций сверления, фрезерования и др. снижало стоимость на 25% по сравнению с обычными методами.
Конструкцию самолёта Х-15 предполагалось усилить передними кромками из окиси бериллия, теплозащитным экраном из хромоникелевого сплава, а также более мощными силовыми элементами «горячей конструкции». Ракетоплан не замыкал и одного витка, зарываясь в атмосферу из-за слишком малой высоты орбиты. Специалистам NAA он казался гораздо большей реальностью, чем предложения конкурентов; в то время как остальные проекты ещё не ушли с чертёжной доски, прототип Х-15 находился в изготовлении, и его первый полёт состоялся уже 8 июня 1959 года.
Вариант, предложенный NAA несколько позже, использовал два стартовых ускорителя «Навахо» в качестве первой ступени. Один — в качестве второй и собственный XLR-105 фирмы Rocketdyne — в качестве третьей. Носителями для Х-15В могли быть ракеты типа «Атлас» или «Титан», как одиночные, так и в связке. Изучался даже вариант запуска на ракете «Сатурн-I», среди достоинств которого называлась возможность отказаться от использования «дефицитных» МБР и «независимость» гражданской ракеты от военных программ. Рассматривались и варианты воздушного пуска ракетоплана с самолётов-носителей NB-52 или XB-70 с применением дополнительных ракетных ускорителей.
В целом проект был очень интересным. Кабина размещала двух пилотов, сидящих друг за другом. Толстая хромоникелевая обшивка должна была выдержать повышенный нагрев при входе в атмосферу. Профили полёта, рассмотренные в проектных проработках, шли от простого «прыжка» (кратковременный полёт на малой высоте) до длительных (до 48 часов) орбитальных миссий с апогеями до 960 км. При возвращении с орбиты носовая часть ракетоплана могла нагреться до 1870°С по сравнению с 650°С у исходного Х-15. Используемые в то время металлические сплавы такую температуру в условиях кислородной атмосферы не держали, проблема требовала своего решения.
По мере уточнения проекта разработчики переходили от сплавов, защищённых керамическим покрытием, к всё более экзотическим материалам, а также пытались оптимизировать схему теплового нагружения конструкции. В теории корневую часть крыла можно было защитить, например, окисью тория, а среднюю — окисью бериллия, однако о технологичности потенциальных решений ничего толком сказать было нельзя. Исследования выявили большие вопросы с точки зрения металлургии и технологии, ответы на которые лежали за пределами имеющихся познаний. Например, потребное количество ниобия превышало мировое ежегодное производство данного элемента.
Фирма NAA вела проработки «орбитального» варианта Х-15, по крайней мере, до конца 1959 года, когда встал вопрос о конкуренции с проектом ракетоплана Dyna-Soar. Сторонники первого предлагали испытать на своей разработке некоторые решения, которые можно было применить в Dyna-Soar. Однако, из-за нестыковки графиков создавать два ракетоплана параллельно было невозможно: получалось, что при немедленном начале полномасштабной разработки первый полёт «орбитального» варианта Х-15 не мог состояться ранее июня 1964 года, то есть… позже начала лётных испытаний Dyna-Soar, которые намечались на июль 1962 года! Таким образом, «демонстратор технологии» значительно отставал от целевого аппарата.
В итоге Х-15 так и не пошёл на орбиту, так как был принесён в жертву программе «Меркурий», которую проводила NASA, и более перспективному проекту ракетоплана Dyna-Soar, который продвигали ВВС. Но об этом проекте расскажем позже.
14 февраля 1972 года — стартовала автоматическая станция «Луна-20» (СССР).
Для запуска очередной АЛС применялась четырёхступенчатая ракета-носитель 8К82К («Протон-К») с разгонным блоком ДМ (обзор №2-06 21–31.12.2016). «Луна-20», близкая по конструкции к КА «Луна-16» (обзор №1-25 11–20.09.2016), совершила прилунение в материковой области Луны. Посадка в горном районе, примерно на километр возвышающемся над Морем Изобилия (какое чудесное название), прошла успешно. Грунтозаборное устройство, приведённое в действие по командам с земли, взяло пробы грунта лунного материка, которые затем были загерметезированы в капсуле возвращаемого аппарата и доставлены на Землю. 25 февраля спускаемый аппарат АЛС «Луна-20» приземлился в 40 км северо-западнее города Джезказгана. Полезный груз составлял 55 граммов лунного грунта.
По внешнему виду грунт из материкового района Луны отличался от пород, ранее доставленных из районов лунных морей. Это вещество более светлое, серебристо-серого цвета с вкраплениями более крупных частиц размером 4-5 мм.
При подготовке материалов были использованы следующие источники:
- ОКБ «Факел»: Филиал ОКБ «Заря». Филиал института двигателей. Предприятие п/я 3740. Калининградское отделение лаборатории двигателей АН СССР: к 50-летию предприятия / авт.-сост. А. Н. Нестеренко, ред. В. М. Мурашко. — Калининград: ИП Мишуткина И. В., 2005.
- И. Б. Афанасьев, Д. А. Воронцов. Золотой век космонавтики: мечты и реальность. — М.: Фонд «Русские витязи», 2015.
- Е. Зенгер. Техника ракетного полёта. — М.: «Оборонгиз», 1947.
- А. М. Первушин. Битва за звезды: Космическое противостояние. — М.: ООО «Издательство АСТ», 2003.
- А. В. Амброжевич. Развитие транспортных систем с ЖРДУ. — Харьков: Рукопись, 2007.
- Космонавтика. Энциклопедия. — М.: «Советская Энциклопедия», 1985.
| « | В этот день… №2-10 (1-10 февраля) | В этот день… №2-12 (21-29 февраля) | » |
