В этот день… №2-32 (11-20 сентября)
В 80-е годы ХХ века на экраны кинотеатров Советского Союза вышел фильм «Поэма о крыльях». Содержание большинства наших обзоров в сентябре можно назвать также. Продолжаем рассказ о крылатых ракетно-космических аппаратах и о людях, их создававших.
17 сентября 1955 года Цянь Сюэсэнь, известный как «отец китайской космонавтики», выехал из США на родину, в Китай (США, КНР).
Достижения китайской космонавтики неотделимы от имени Цянь Сюэсэня. Цянь родился в 1911 году в городе Ханьчжоу, столице провинции Чжэцян. Семья Цянь была известна с Х века. Отец Цянь Сюэсэня — Цянь Цзюньфу (1880-1969) был известным китайским педагогом, автором учебников по логике, землеведению, географии и истории зарубежных стран.
Цянь был единственным ребёнком в семье. Первый иероглиф его имени «сюэ» означал «учиться», и каждый день мать давала сыну задания, чтобы развить навык к учению. Он быстро освоил устный счёт.
Когда мальчику было три года, семья переехала в столицу, его отец получил назначение в Министерство образования в Пекине. В 1918 году Сюэсэнь был принят во вторую пекинскую экспериментальную начальную школу для одарённых детей, в 1921 году был переведён в первую школу младшей ступени, а в 1923-1929 гг. учился в средней школе при Пекинском высшем педагогическом училище. Учитель химии Ван Хэцин привил ему интерес к науке и позволил свободно пользоваться химической лабораторией.
Но в истории Китая в те годы был бурный период. После Синьхайской революции, с 1912 года Китай перестал быть империей и стал республикой, но страна утратила своё единство, власть перешла к губернаторам провинций и милитаристским кликам, постоянно воевавшим между собой. Пекин контролировало (довольно жестоко и даже кроваво) Бэйянское правительство, за период с 1916 по 1928 годы в северной столице сменилось семь президентов, два императора и 25 кабинетов правительства!
В 1923 году, на юге Китая, был создан первый единый фронт Гоминьдана и Компартии Китая. Несмотря на разрыв отношений с коммунистами в апреле 1927 года, 9 июня 1928 года войска Гоминьдана заняли Пекин, и к концу года раскол Китая на север и юг был в основном преодолён.
Вот в такой непростой обстановке рос и учился Цянь Сюэсэнь. В 1929 году он поступил на факультет инженерной механики Шанхайского университета Цзяотун. Он был серьёзным и пунктуальным студентом со склонностью к самостоятельной работе. Из-за болезни он пропустил год учёбы. Однако это не помешало ему получить в июне 1934 года диплом инженера по специальности «железнодорожная механика». Он получил итоговую оценку 89,1 балла из 100 возможных. В это же время произошла оккупация Маньчжурии Японией (1931 г.), бомбардировка Шанхая японским флотом и пять недель уличных боёв (1932 г.).
В августе 1934 года Цянь участвовал в конкурсе для дальнейшего обучения в США. В октябре он стал одним из 20 выпускников китайских ВУЗов, получивших грант пекинского университета Цинхуа на обучение в Америке. К командировке Цянь готовился в течение года под руководством профессора Ван Шичжо, который строил в это время первую в Китае аэродинамическую трубу. Кроме того, Цянь проходил практику на авиабазе в Ханчжоу и на Наньчанском авиаремонтном заводе. Профессор Ван был выпускником Массачусетского технологического института, поэтому Цянь Сюэсэнь именно туда и был направлен для специализации в области аэродинамики.
В 1935 году Цянь попал в США. Год спустя он защитил магистерскую диссертацию на факультете авиационного проектирования Массачусетского технологического института (MIT). В октябре 1936 года Цянь был принят в докторантуру Калифорнийского технологического института (CIT). Его научным руководителем был известный специалист в области аэрогидродинамики Теодор фон Карман. После получения степени доктора аэронавтики, Цянь быстро вырос до профессора Калифорнийского технологического института, принимая при этом участие в работах лаборатории реактивного движения (JPL), одним из основателей которой он являлся, и фирмы Aerojet.
В конце Второй мировой войны Цянь в составе группы экспертов отправился в Германию на поиск нужных людей и ценных бумаг. В мае 1945 года, именно Цянь Сюэсэнь допрашивал Вернера фон Брауна (5 мая) и других сотрудников ракетного центра в Пенемюнде. После возвращения в Пасадену Цянь (в то время полковник ВВС) написал обзор «Реактивное движение» (Jet Propulsion) объёмом около 800 страниц, ставший главной книгой для специалистов послевоенной авиационной и ракетной промышленности США.
Цянь был одним из авторов идеи ядерного авиационного двигателя, пилотируемых космических полётов, сверхскоростного пассажирского авиалайнера. В 1949 году, обобщив данные о перспективных исследованиях в области аэродинамики высокоскоростных летательных аппаратов, полученные из завоёванной Германии, Цянь Сюэсэнь предложил собственный проект крылатой пассажирской ракеты.
Согласно проекту, ракета на десять пассажиров длиной 24 м со стартовым весом в 50 т должна иметь почти вертикальный старт. Через 150 с, на высоте 160 км, намечалась отсечка двигателя. Вершина наивысшего участка траектории полёта должна была лежать на высоте 480 км над уровнем моря на расстоянии по горизонтали примерно 1000 км. Крылатая ракета входила бы в плотные слои атмосферы через 15 минут после старта, покрыв расстояние по горизонту в 1920 км. Китайский учёный считал, что аэродинамическое равновесие для крылатой ракеты при данной скорости наступит на высоте 43 км, после чего она начнёт планирование, которое даст возможность пролететь ещё 2880 км. Посадочная скорость в результате будет составлять всего лишь 240 км/ч, что позволит произвести нормальную посадку. Весь полёт такой ракеты от Нью-Йорка до Лос-Анджелеса будет продолжаться не более 45 минут.
Предложение Цяна Сюэсэня было детально проанализировано сотрудником полигона Уайт Сэндс Гарри Стайном в его докладе, прочитанном на 11-м ежегодном конгрессе «Американского ракетного общества», проходившем в Нью-Йорке с 26 по 29 ноября 1956 года. Проект был доработан и претерпел некоторые изменения. Полезная нагрузка, включая пилота, приборы, систему охлаждения, кислородную аппаратуру и пр., была уменьшена до 660 кг (против 2000 кг у Цяна Сюэсэня). Корпус самой ракеты весил по доработанному проекту 9320 кг, топливо — 13600 кг (жидкий кислород) и 5900 кг (бензин), сжатый газ — 225 кг. Так стартовый вес ракеты был уменьшен до 29,5 т. Тяга, развиваемая ракетным двигателем, должна была составить 54 т; при этом предполагалось, что стартовое ускорение будет увеличиваться от 1,83g до 5,45g в момент отсечки двигателя. Если бы ракетный корабль поднимался почти вертикально в течение всего периода работы двигателя (90 с), то максимальная высота подъёма была бы равна 90 км.
Сам Цянь Сюэсэнь в обсуждении проекта Гарри Стайна участия не принимал. Его к тому времени уже не было в США. После провозглашения КНР и образования мирового социалистического лагеря, в ходе начавшейся в США «охоте на ведьм», Цянь Сюэсэнь, как и другие выходцы из «прокоммунистических стран», подвергся многочисленным и унизительным проверкам на лояльность. В 1950 году ему инкриминировали пособничество коммунистической партии и отстранили от работ. Пять лет он фактически находился под домашним арестом. На женевских переговорах по возвращению американских военнопленных — участников корейской войны (1950-1953 гг.), освобождение Цяня стало одним из условий китайцев. Президент Эйзенхауэр согласился на сделку, и 17 сентября 1955 года Цянь Сюэсэнь выехал из США.
По возвращению в КНР, 17 февраля 1956 года Цянь Сюэсэнь представил в Госсовет КНР «Проект создания национальной авиационной и оборонной промышленности». А уже 26 мая была основана Пятая академия министерства обороны (по разработке баллистических ракет). По предложению Цяня, которого назначили её руководителем, с 1 июня 1956 года началось строительство ракетного полигона в Цзюцюане, на северо-западе провинции Ганьсу. Это был первый китайский космодром. Именно с этих дней ведётся отсчёт истории ракетно-космической отрасли КНР.
Цянь Сюэсэнь подготовил плеяду китайских учёных, обеспечивших значительные успехи Китая в освоении космического пространства. В КНР Цянь играл важную роль в общественной жизни, был заместителем председателя ЦК и почётным председателем ЦК Демократической лиги Китая.
19 сентября 1962 года — ВВС США официально представили макет ракетоплана Х-20 и объявили об отборе шести пилотов для программы Dyna-Soar (США).
Мы уже упоминали проект крылатого космического корабля Dyna-Soar в одном из предыдущих обзоров (№2-11 11–20.02.2017). Теперь пришло время остановиться на нём подробнее.
В октябре 1957 года, менее чем через неделю после запуска Советским Союзом на орбиту первого в мире ИСЗ, состоялось совещание представителей НАКА и ВВС США, созванное исключительно для обсуждения последствий этого события. В ходе совещания были рассмотрены материалы по космическим проектам ВВС. Особое внимание уделили крылатым аппаратам, как средству для полёта человека в космос.
В результате пришли к решению объединить проекты Brass Bell, RoBo и HYWARDS (к которым мы обязательно ещё вернёмся) в единую программу разработки, насчитывающую три стадии и названную «Дайна-Сор» (Dyna-Soar, от Dynamic Soaring — «Разгон и Планирование»). В основу новой разработки была положена концепция «бомбардировщика-антипода» Эйгена Зенгера.
21 декабря 1957 года командование ВВС выпустило «Директиву 464Л» о начале первого этапа в разработке системы «Дайна-Сор» — создании небольшого одноместного гиперзвукового ракетоплана.
Главная задача первого этапа состояла в том, чтобы построить экспериментальный летательный аппарат, значительно превышающий режимы ракетоплана Х-15. Ожидалось, что будущий аппарат сможет развивать скорость до 5,5 км/с и достигнет высоты более 50 км, используя стартовый ускоритель. На этом же этапе планировалось оценить перспективы военного применения системы «Дайна-Сор».
На втором этапе планировалось достичь скорости 6,7 км/с на высоте 106,8 км. Для этого требовался двухступенчатый стартовый ускоритель. После достижения необходимый скорости и высоты полёта ЛА должен был планировать на дальность 9250 км. При этом система должна была уметь производить высококачественную фото- и радиолокационную разведку, а в случае необходимости и бомбардировку.
Аппарат третьего этапа должен был выходить на околоземную орбиту и решать широкий спектр задач военного назначения.
По итогам конкурса, из всех авиационных фирм, только группы «Белл-Мартин» и «Боинг-Воут» предприняли попытку разработать действительно орбитальный КА и получили финансирование на продолжение проектных работ (9 ноября 1959 г.). Компаниям группы «Боинг» выпала разработка ракетоплана «Дайна-Сор», а «Мартин» — носителя на базе ракеты «Титан-I». Началось полномасштабное проектирование. И, если конфигурация первого элемента (бесхвостый аппарат с дельтавидным крылом малого удлинения и плоской нижней поверхностью) определилась быстро, то с носителем пришлось повозиться.
Из-за неоднократных изменений технического задания в сторону роста характеристик, «Дайна-Сор» довольно быстро вылез за пределы энергетических возможностей ракеты «Титан-I». Рассматривались различные варианты замены, причём интеграция к новым ракетам каждый раз затруднялась из-за сложной аэродинамической конфигурации ракетоплана. В качестве замены РН рассматривались МБР «Титан-II» со специальной криогенной верхней ступенью, тяжёлый космический носитель «Сатурн-I» и ряд других проектов.
Военным нужна была новая система оружия и наличие криогенных компонентов топлива и долгое время подготовки ракеты к пуску их явно не устраивали. Наконец, в октябре 1961 года был выбран «Титан-IIIС» — специально спроектированный носитель на базе МБР «Титан-II» с двумя крупногабаритными боковыми твердотопливными ускорителями.
Твердотопливные ускорители были разработаны фирмой «Юнайтед Текнолоджи» (United Technology). Тяга пятисекционного РДТТ каждого ускорителя — 4,41 МН, время работы ускорителя — 110 с. Размеры: длина — 23-26 м; диаметр — 3 м. Вес ускорителя — 225 т. Толщина свода — 915 мм. Топливо — смесевое, на основе каучука, полибутадиенакрилнитрилового горючего с добавкой алюминия и перхлората аммония. Удельный импульс топлива — 2400 м/с.
Корпус ускорителя изготавливался из прокатанной и сваренной стали. Регулирование вектора тяги осуществлялось впрыском четырёхокиси азота в сопло через ряд отверстий. Максимальное давление в камере сгорания — 5,17 МПа.
Для начала 60-х годов это был рекордный по своим показателям РДТТ. Ни РДТТ МБР «Минитмен» и «Поларис», ни тем более РДТТ лёгких РН не шли ни в какое сравнение с этим монстром.
За полтора года до этого, 27 апреля 1960 года, ВВС заказали десять ракетопланов в лётной конфигурации и присвоили им серийные номера (от AF 61-2374 до AF 61-2383). Программа закупок предусматривала поставку двух аппаратов в течение 1965 года, четырёх — в 1966 году и двух — в 1967-м. Ещё два — с ранней поставкой — предназначались для статических испытаний и беспилотных сбросов с самолёта-носителя.
Окончательная аэродинамическая компоновка ракетоплана сложилась в результате более чем 14000 часов испытаний в аэродинамических трубах. В частности, модели разных масштабов 8500 часов продувались на дозвуковых скоростях, 2700 часов — на сверхзвуковых и 1800 — на гиперзвуковых скоростях при числах М более 15.
Проект аппарата получился очень сложным (даже по современным взглядам). Аппарат состоял из дельтовидного крыла (размах крыла — 6,22 м, площадь — 32,05 м2) с двумя концевыми шайбами вертикальных стабилизаторов и из фюзеляжа (длина 10,77 м, базовый диаметр — 1,6 м) со слегка приподнятой и закруглённой на конце носовой частью. Он был изготовлен большей частью из экзотического сплава Rene-41. Для обеспечения многократного использования разработчики приняли концепцию «горячей конструкции» из жаропрочных материалов, которая должна была частично поглощать тепло, получающееся при аэродинамическом торможении во время входа в атмосферу, но большей частью переизлучать его. По расчётам нижняя поверхность крыла и фюзеляжа нагревалась до 1650°С. Для изготовления элементов конструкции, способных выдержать такой жар, применялись ниобий, сплавы молибдена, никеля и кобальта. Для защиты отдельные части планера, такие как носовой «кок» и передние кромки крыла и концевых стабилизаторов, раскаляющихся до 2350°С, предлагались армированный графит и цирконий либо карбид ниобия. Планер имел «пустую» массу 4912 кг, а при полной комплектации — 5167 кг.
По составу бортового оборудования даже самые простые варианты ракетоплана «Дайна-Сор», предназначенные для лётных экспериментов, значительно превосходили капсулу «Меркурий».
Сложным был вопрос спасения пилота в аварийных ситуациях. При отказе РН на старте и до скорости, соответствующей числу М = 3, лётчик должен был полагаться на пороховой двигатель системы спасения, установленный внутри переходника в хвостовой части ракетоплана, а при спуске в атмосфере — на прочность самого планера как спасательной капсулы. Если аварийная ситуация происходила при заходе на посадку, пилот мог покинуть аппарат в катапультном кресле. Последнее представляло собой облегчённый вариант кресла от Х-15 и работало на скоростях, соответствующих числу М до 0,9 в полёте и менее 130 км/ч при заходе на посадку. Как видно, система аварийного спасения имела значительные «слепые» зоны.
Лётные испытания планировалось начать в 1962 году с пусков на ракете «Титан-II», которая должна была выводить ракетоплан на суборбитальную траекторию. Однако 26 декабря 1961 года такие испытания были отменены. Поскольку бюджет проекта всё время увеличивался, министр обороны США Роберт Макнамара (кстати, изобретатель критерия «эффективность-стоимость») всячески препятствовал выделению дополнительных средств.
В итоге, было решено сначала провести «атмосферные» планирующие полёты со сбросом ракетоплана с самолёта-носителя В-52. Первый тест предполагалось осуществить в январе 1965 года, первый беспилотный ракетный полёт — в июле-августе 1965 года во время третьего по счёту испытательного пуска носителя «Титан-III». В четвёртом-пятом испытании можно было использовать второй экземпляр ракетоплана. Первый пилотируемый полёт, повторяющий беспилотную одновитковую миссию, планировали на начало 1966 года.
Типичный орбитальный одновитковый полёт «Дайна-Сор» выглядел следующим образом. «Дайна-Сор» стартует с помощью РН «Титан-IIIС» со стартового комплекса №40 на мысе Канаверал, через 9,7 минуты после запуска выходит на низкую орбиту высотой 97,6 км на скорости 7,5 км/с. После этого он выполняет полёт на дальность приблизительно 19000 км, начиная возврат на Землю на дальности 21000 км. Возвращение в атмосферу происходит при скорости 7,15 км/с. Аппарат совершает посадку на авиабазе Эдвардс через 107 минут после запуска, приближаясь к ВПП при скорости 400 км/ч. Сама посадка происходит при скорости 280 км/ч, при этом пробег не должен превышать 840 м.
Во время работы макетной комиссии ВВС направили фирме Боинг требование об оснащении аппарата системами для полёта ещё и по многовитковой орбите. Это означало, что на «Дайна-Сор» придётся разместить более сложную систему наведения, а также ТДУ для схода с орбиты.
Специалисты фирмы разработали два различных варианта такой установки. В соответствии с первым двигатель малой тяги устанавливался в переходнике в хвостовой части планера. По другому — к РН «Титан-IIIС» присоединялась новая (четвёртая) ступень с двигателями тягой 71,13 кН; эта четвёртая ступень могла использоваться для точного выведения на орбиту, а затем оставаться присоединённой к планеру и включаться повторно, чтобы обеспечить сход с орбиты. Этот вариант и был отобран для рабочих вариантов системы «Дайна-Сор».
ДУ четвёртой ступени РН «Титан-IIIС» оснащалась двумя ЖРД разработки фирмы «Эроджет». Тяга каждого двигателя — 35,28 кН. Двигатель имел вытеснительную (давлением азота) систему подачи самовоспламеняющихся топливных компонентов в камеру сгорания. Топливо: окислитель — четырёхокись азота, горючее — смесь НДМГ (50%) с гидразином (50%). Соотношение компонентов — 2:1. Камера сгорания была выполнена из стекловолокнистой ленты с направленными волокнами, которая в процессе обмотки укладывалась ребром к оси камеры. Форсунки (около 4000) со сталкивающимися струями расположены девятью концентрическими кругами. Ряды форсунок горючего чередовались с рядами форсунок окислителя. Два примыкающих к стенке камеры ряда форсунок предназначены для впрыска горючего. Изменение состава смеси в зонах смешения от центра к стенке камеры обеспечивается разными углами сталкивания струй топливных компонентов. Для предотвращения тангенциальной неустойчивости горения в камере установлены крестообразно четыре щитка. Камера установлена на гибком кольце, которое связано с конструкцией ступени. Камера отклоняется на угол ±6°.
Сопло состоит из двух частей: сопла со степенью уширения 6:1, охлаждаемого методом уноса массы и сопловой приставки, выполненной из сплава ниобия и титана (или нержавеющей стали), охлаждаемой излучением и обеспечивающей степень уширения сопла, равную 40:1. Приставка крепилась к соплу болтами. Диаметр критического сечения сопла — 190 мм; диаметр на срезе сопла — 1200 мм.
Двигатель рассчитан на три запуска в течение 24 часов, суммарное время работы — 480 с.
Планер управлялся стандартными рулевыми педалями и боковой ручкой управления. Кабина экипажа оснащалась боковыми окнами и ветровым стеклом, которое было защищено при входе в атмосферу теплозащитным экраном, сбрасываемым перед самой посадкой. Полезный груз массой до 454 кг, можно было разместить в отсеке, находящемся сразу за кабиной пилота. Шасси состояло из трёх убираемых стоек с адаптируемыми полозьями. Посадка могла быть совершена на поверхности высохших соляных озёр, по образцу ракетоплана Х-15.
К концу 1961 года программа была официально переориентирована на невоенные эксперименты и классифицировалась как исследовательская. Военные задачи в космосе могли быть решены быстрее и с большей экономией в рамках программы «Джемини». Например, небольшие изменения в устанавливаемом оборудовании и профиле полёта при затратах только в 16,1 млн. долларов могли позволить испытать военные подсистемы на борту корабля «Джемини» во время длительного полёта продолжительностью в 14 суток. Летом 1962 года принадлежность ракетоплана к экспериментальным аппаратам подтвердили, переименовав «Дайна-Сор» в Х-20 и выпустив новую программу лётно-конструкторских испытаний.
19 сентября 1962 года ВВС США официально представили макет ракетоплана и объявили об отборе шести пилотов для программы Х-20 (название «Дайна-Сор» использовалось параллельно).
К 1963 году материальная часть проекта (системы, агрегаты, отдельные элементы конструкции) прошла многочисленные стендовые испытания. В производстве находился задел, достаточный для изготовления 40% планера. Испытывался двигатель системы аварийного спасения. Но стартовать в космос Х-20 не было суждено.
Многочисленные технические ухищрения, применение экзотических материалов и технологий отрицательно сказывались на стоимости проекта: общий объём затрат достиг примерно 500 млн. долларов — для начала 60-х годов это была огромная сумма. Лётно-конструкторские испытания на 12 аппаратах могли обойтись в 1 млрд. долларов! Кроме того, это сопровождалось всё большей неопределённостью в плане обоснования целей и задач программы. В итоге 10 декабря 1963 года Роберт Макнамара объявил отмену программы ракетоплана в пользу разработки военной пилотируемой орбитальной станции MOL (Manned Orbiting Station). Было сочтено, что преимущества крылатых аппаратов не окупают огромных расходов — сработал критерий «эффективность-стоимость».
Работу над изготовлением прототипа ракетоплана остановили: уже готовые элементы конструкции частью утилизировали (пустили под пресс), частью отправили на свалку. В связи с закрытием проекта фирма Боинг объявила об увольнении 5000 человек. В наследство от программы «Дайна-Сор» остался носитель «Титан-III».
Так закончилась первая серьёзная попытка построить крылатый космический корабль многократного применения. А ВВС остались без собственного пилотируемого космического аппарата.
Закрытие проекта не всеми одобрялось. Например, заместитель администратора NASA по перспективным исследованиям и технологиям доктор Реймонд Бисплинхофф подчёркивал, что перспективные исследования неоднократно показывали важность разработки технологии маневрирующих гиперзвуковых летательных аппаратов с высокотемпературной радиационноохлаждаемой металлической конструкцией. Наземные испытательные стенды не могли точно моделировать условия возвращения в атмосферу, и, следовательно, полёты «Дайна-Сор» были необходимы для получения таких данных. Даже если бы Х-20 никогда не стал рабочим аппаратом, он мог обеспечивать чрезвычайно ценную информацию относительно управления при входе в атмосферу и проблем нагрева — того, чего серьёзно недоставало во время разработки системы Space Shuttle десятью годами позже.
Со второй половины 50-х годов в США и СССР велись и другие разработки аналогичных воздушно-космических систем, о которых мы расскажем в своё время.
В настоящее время модель орбитального ракетоплана Х-20 демонстрируется в музее ВВС в Дейтоне (штат Огайо).
При подготовке материалов были использованы следующие источники:
- Чэнчжи Ли. Развитие китайских космических технологий / Под ред. Бао Оу, Хан Ихуа, Ю. М. Батурина и др. — СПб.: «Нестор-История», 2013.
- А. М. Первушин. Битва за звезды: Космическое противостояние. — М.: ООО «Издательство АСТ», 2003.
- И. Б. Афанасьев, Д. А. Воронцов. Золотой век космонавтики: мечты и реальность. — М.: Фонд «Русские витязи», 2015.
- Иностранные авиационные и ракетные двигатели (по данным иностранной печати). Институт им. П. И. Баранова, 1967.
| « | В этот день… №2-31 (1-10 сентября) | В этот день… №2-33 (21-30 сентября) | » |
