Авиация и космонавтика 2009 12

Исследования, проведенные в ОКБ по проблеме создания одноступенчатого ВКС, дают основание утверждать, что одноступенчатый ВКС способен стать реальностью, если решить, в частности, проблемы существенного повышения экономичности силовой установки и значительно поднять относительный запас топлива на взлете летательного аппарата.

На сегодняшний день существенно повысить экономичность силовой установки можно, используя в качестве окислителя кислород воздуха, то есть применяя ВРД. Единственным типом ВРД, который можно использовать при гиперзвуковых скоростях полета, на которые рассчитывается ВКС, является ПВРД. В свою очередь, использование ПВРД требует выполнение полета в атмосфере с высокими скоростными напорами для ограничения габаритов и массы силовой установки. Высокие скоростные и тепловые нагрузки конструкции летательного аппарата требуют увеличения массы пустого аппарата. Это увеличение целесообразно лишь тогда, когда существенно снижается общая масса бортового запаса топлива. Использование в качестве окислителя атмосферного воздуха позволяет уменьшить секундный расход топлива, однако существенное снижение общей массы ВКС может быть достигнуто только при условии работы ПВРД в широком диапазоне чисел М полета (широкодиапазонный ПВРД - ШПВРД). Это дает существенную разность между уменьшением массы топлива и увеличением массы конструкции, связанным с использованием ПВРД, и обеспечивает выигрыш в относительной массе полезной нагрузки.

Другим определяющим условием реализации одноступенчатого ВКС является использование в качестве топлива жидкого водорода. Уникальное сочетание высокой массовой теплотворной способности и высокой удельной теплоемкости позволяют создать более легкие и компактные двигатели с требуемым удельным расходом топлива. Одновременно использование хладоресурса жидкого водорода дает возможность спроектировать достаточно легкую охлаждаемую конструкцию планера и воздухозаборника, а также обеспечивать необходимые температурные режимы бортовых систем и оборудования. Применение ПВРД требует большую часть разгонной траектории до орбитальной скорости выполнять в плотных слоях атмосферы, что вызывает сильный кинетический нагрев конструкции, особенно передних кромок крыла, воздухозаборника, носка фюзеляжа и всей нижней поверхности ВКС. Расчеты, проведенные в ОКБ, показали, что без применения жидкого водорода в качестве охлаждающего хладоагента, не удается обеспечить нормальный температурный режим конструкции планера, самих ПВРД, оборудования, а также обеспечить нормальные условия для экипажа, грузов, в том числе и специальных, а в перспективе и для пассажиров.

Модель ВКС Ту-2000

Изготовление опытного топливного бака

Из условий применения на ВКС основной разгонной силовой установки на базе ПВРД для него наиболее рационально применение комбинированной силовой установки, включающей экономичные ТРД, работающие в диапазоне скоростей соответствующих диапазону М = 0 - 2,5, ПВРД (ШПВРД), обеспечивающих разгон до М = 20 - 25, и ЖРД для доразгона до орбитальной скорости и маневрирования на орбите.

Для того, чтобы одноступенчатый ВКС был конкурентоспособен в сравнении с другими транспортными ракетно-космическими средствами, при его проектировании необходимо обеспечить выполнение ряда требований к летным характеристикам. ВКС должен обладать способностью совершать взлеты и посадки со стандартных взлетно-посадочных полос длиною до 3000 м, совершать полеты с разворотом на дозвуковой скорости после взлета для выхода в заданную точку начала разгона, и перед посадкой для захода на заданный аэродром, осуществлять перелеты для изменения аэродрома базирования, быстро выполнять разгон до заданной скорости и высоты, включая выход на круговую орбиту, выполнять неоднократные орбитальные маневры, выполнять автономный орбитальный полет продолжительностью до суток, выполнять крейсерский полет в атмосфере с гиперзвуковыми скоростями, выполнять торможение со снижением при возвращении с орбиты, в процессе разгона до орбитальных параметров, а в процессе снижения выполнять маневрирование для прохода заданной трассы и выхода на заданную орбиту и заданный аэродром.

Из-за сложности решения комплекса научно-технических, технологических и эксплуатационных проблем создания одноступенчатого ВКС, в ходе проектирования решено было, что целесообразно практические работы начать с постройки и испытаний экспериментального ВКС несколько меньшей размерности, чем окончательный вариант. На этом летательном аппарате будут проверены в реальных условиях полета новые концепции и технические решения, заложенные в аэродинамическую схему, силовую установку, конструкцию и теплозащиту планера, самолетных систем и двигателей и оборудования. Необходимость создания экспериментального ВКС обусловлена, кроме всего прочего, отсутствием условий натурного моделирования на наземных установках при числах М = 6 - 8 явлений аэротермодинамики, процессов горения в двигательной установке, процессов нагрева конструкции.

В 1987 - 1988 гг. ОКБ, совместно с ЦАГИ, ЦИАМ и другими предприятиями и организациями разработало концепцию одноступенчатого ВКС с комбинированной двигательной установкой, имеющей в своем составе гиперзвуковой ВРД (ГПВРД)

Принципиальная новизна разрабатываемого ВКС, неопределенность в характере внешних воздействий на него, отсутствие проверенных технических решений по ряду направлений, а также необходимого набора конструкционных материалов, обуславливали необходимость поэтапной разработки и испытаний экспериментального ВКС. Поэтому вся программа по созданию экспериментального ВКС была разбита на два этапа: создание экспериментального гиперзвукового самолета ЭГС с максимальной скоростью полета до М = 5 - 6 и создание экспериментального ВКС -прототипа одноступенчатого многоразового ВКС, обеспечивающего проведение летного эксперимента во всей области полетов, вплоть до выхода в космос.

В рамках работ по второму этапу в ОКБ в конце 80-х годов было подготовлено техническое предложение по проекту экспериментального ВКС Ту-2000А и техническое предложение к одноступенчатому ВКС Ту-2000. В дальнейшем, в течение нескольких лет, исходная концепция развивалась. В частности, появилось предложение по переходу в двигательной установке от ГПВРД к ШПВРД. Создание экспериментального ВКС Ту-2000А являлось необходимым этапом работ, на нем должны были быть проверены в реальных условиях все новые концепции, заложенные в аэродинамическую схему, силовую установку, конструкцию и теплозащиту планера. Учитывая экономические и организационные сложности 90-х годов ОКБ предложило начинать работы по Ту-2000А с создания промежуточных ВКС Ту-2000А-1 и Ту-2000А-2 как летающих лабораторий первого этапа, рассчитанных на полеты с максимальными скоростями, соответствующих М = 5 - 6. Для выполнения программы предлагалось создание летающей лаборатории на базе модернизированного двигателя АЛ-41Ф (Д-101) в модификациях: Д-101В с основной и форсажной камерой, работающих на водороде, и Д-101К с форсажной и основной камерами, работающими на керосине. Соответственно предлагались к проектированию и постройке самолет Ту-2000А-1 с двумя стартовыми двигателями Д-101, с взлетной массой 40 т и Ту-2000А-2 с одним стартовым двигателем Д-101, с взлетной массой 20 т. Ближайшим этапом работ должно было стать создание самолета Ту-2000А-2 с одним Д-101. После проведения этих работ можно было переходить к окончательному варианту Ту-2000А с взлетной массой 70 т с двумя новыми двигателями Д-100 тягой по 30 тс.