Авиация и космонавтика 2009 11

В качестве иллюстрации работ того периода можно привести материалы по проекту ВКС с ядерным ракетным двигателем (ЯРД).

Работы по ВКС с ЯРД начались в ОКБ совместно с рядом предприятий и организаций отрасли в 1966 г. В качестве основной силовой установки предполагалось использовать газофазный ядерный ракетный двигатель, который должен был иметь следующие основные особенности, влиявшие на компоновку ВКС:

- рабочее тело с малой удельной плотностью- жидкий водород;

- высокий удельный импульс;

- большая тяга (до 600 тс);

- жесткие ограничения по боковым перегрузкам;

- недопустимость глубокого дросселирования ЯРД;

- радиоактивность ракетной струи;

- наличие на борту ядерного реактора высокой мощности, который одновременно с полезной работой по нагреву рабочего тела являлся сильнейшим источником радиоактивного излучения.

Высокий удельный импульс, превышавший в несколько раз удельный импульс лучших ЖРД того периода, в сочетании с большой тягой, позволял спроектировать одноступенчатый, маневрирующий на орбите ВКС с взлетной массой 400 - 500 т. Относительная масса полезной нагрузки (масса экипажа, специального оборудования, необходимого на орбите и запас топлива, неизрасходованного к моменту выхода на орбиту) должна была составлять 11 - 17% стартовой массы системы. Это было в 2-3 раза больше относительной массы полезной нагрузки, выводимой двухступенчатой ракетной системой с кислородно-водородными ЖРД. Близкие параметры могли иметь лишь сложные двух-трехступенчатые системы с частично теряемыми ступенями, использующие такие неординарные технические решения, как накопление по полету окислителя или гиперзвуковое сгорание. Большая масса маневрирующего на орбите ВКС, во многом определявшаяся большой относительной массой радиационной защиты кабины (5 - 10%), приводила к высокой доли топлива в полезной нагрузке, выводимой на орбиту. За вычетом топлива, выводимого на орбиту, относительная масса полезной нагрузки определялась величиной 1,3 - 3,0 %. Ограничения по боковой перегрузке ЯРД приводило к необходимости выведения ВКС по баллистической траектории. При исследовании способа выхода на баллистическую траекторию предпочтение было отдано горизонтальному старту.

Предлагавшийся проект ВКС с ЯРД имел отношение взлетной массы к посадочной в пределах двух, то есть как у большинства тяжелых самолетов, а не 7 - 14, как у предлагавшихся в то время проектов ВКС с ЖРД с вертикальным стартом. Крыло и шасси ВКС, необходимые для горизонтальной посадки, одновременно обеспечивали и горизонтальный взлет. Из-за возможности заражения местности, старт и посадка ВКС с ЯРД должны были производиться с помощью ТРДФ, работающих на водороде. Суммарная взлетная тяга ТРДФ определялась в 240 тс. Большие размеры ВКС с ЯРД были вызваны необходимостью разместить большое количество жидкого водорода. Выполнение снижения с орбиты на больших углах атаки потребовали решения задачи обеспечения удовлетворительных запасов статической устойчивости на этих режимах полета за счет специальной выпуклой профилировки нижней поверхности ВКС. Для крыла ВКС была выбрана треугольная форма в плане с большой стреловидностью по передней кромке. На консолях крыла имелись кили площадью, составляющей 14 -25 % от площади крыла. Особенности центровки ВКС с ЯРД связаны с наличием в силовой установке ядерного реактора и необходимости обеспечения радиационной защиты экипажа и оборудования. Рациональным, сокращающим стартовую массу ВКС, решением был отказ от абсолютной защиты планера самолета от излучения и концентрация защиты лишь на далеко расположенной от реактора кабине экипажа. Ограничения по дросселированию двигателя потребовали разместить на борту ВКС кислородно- водородные ЖРД. Для торможения и схода с орбиты на ВКС предназначались специальные тормозные твердотопливные двигатели. При отработке системы радиационной защиты ВКС с ЯРД ОКБ использовало свой опыт работ по программе создания самолетов с ядерной силовой установкой, над которой ОКБ активно работало в 50-е годы (самолет-летающая лаборатория Ту- 95J1AJ1, проходивший летные испытания в начале 60-х годов с «холодным» и «горячим» реактором; проекты экспериментальных самолетов Ту- 119 и Ту-120, проект самолета ПЛО с ЯСУ).

Траектория полета ВКС с ЯРД состояла из следующих участков:

- взлет с земли по-самолетному на ТРДФ (при тяге ТРДФ 240 тс длина разбега составляла бы 800 м);

- начальный разгон - набор высоты с ТРДФ (скорость в конце разгона - 2200 км/ч, высота не менее 10000 м, что обуславливалось минимальной высотой включения ЯРД));

- баллистический участок разгона на ЯРД до круговой орбитальной скорости;

- полет по круговой орбите с маневрированием. Запас топлива на ВКС позволял осуществлять маневр с поворотом орбиты на 12,5° в каждую сторону, грубый маневр осуществлялся с помощью ЯРД, более тонкое корректирование производилось с помощью кислородно-водородных верньерных ЖРД;

- торможение для спуска с орбиты предполагалось осуществлять с помощью твердотопливных двигателей. Дальнейшее снижение происходило с неработающими двигателями по траектории стационарного планирования, обеспечивающего минимальные значения температуры нагрева нижней поверхности ВКС. При вхождении в более плотные слои околоземной атмосферы ВКС мог совершать боковой маневр с использованием аэродинамических сил, при этом боковое отклонение могло достигать 1500 км;

- полет на посадку происходил с работающими ТРДФ начиная с высот 10000 - 20000 м со скоростью 1000 - 2000 км/ч, с расстояния до 500 км;

- заход на посадку производился по-самолетному. Длина пробега 1000 - 1400 м.

ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВКС С ЯРД

стартовая масса, г 380 - 450

масса полезной нагрузки,

выводимой на орбиту, г 68

площадь крыла, м 2 1150

площадь килей, м 2 300

длина ВКС\ м 74

размах крыла ВКС\ м 38

высота ВКС на стоянке, м 17

Важным фактором, во многом определявшим успех программ создания ВКС и гиперзвуковых самолетов, должно было стать освоение и внедрения в практику авиационно- космической техники криогенных технологий. В русле этих работ значительным достижением ОКБ стало создание и испытания экспериментального самолета Ту-155, силовая установка которого успешно работала на двух видах криогенного топлива: жидком водороде и СПГ.

Опыт создания, испытаний и доводок Ту-155, его криогенной силовой установки, а также сложнейшего наземного криогенного комплекса дал ценнейший практический материал для дальнейших работ ОКБ в области создания криогенных летательных аппаратов, в том числе и с гиперзвуковой скоростью полета.