Авиация и космонавтика 1994 01-02

Перспектива создания в околоземном пространстве постоянно действующих станций и промышленных предприятий с уникальными технологическими процессами предопределяет опережающее развитие высокоэффективных транспортных средств многоразового использования – воздушно-космических самолетов (ВКС) и авиационно-космических систем (АКС). Первые представляют собой крылатые одноступенчатые летательные аппараты (ЛА), взлетающие с Земли, выходящие на орбиту и приземляющиеся по-самолетному. Вторые состоят из носителя, разгоняющего и поднимающего на некоторую высоту ЛА, выходящий на орбиту. Обе ступени, выполнив задачу, приземляются и применяются в дальнейшем вновь.

Такие летательные аппараты позволят значительно снизить стоимость выведения полезных грузов по сравнению с современными ракетными системами. Они смогут использовать обычные аэродромные полосы, стартовать из точки, расположенной на любой широте для экономичного выхода на орбиту любого наклонения, приземляться на аэродроме, расположенном где угодно, выполнять перегоночные полеты в атмосфере со скоростью, в 4-6 раз превосходящей скорость звука, при применении экологически чистого водородного топлива.

Но для создания таких ЛА надо еще многое сделать. И может быть, наиболее сложная здесь задача – создание двигательной установки (ДУ). О практических шагах в этом направлении рассказывают специалисты Центрального института авиационного моторостроения имени П. И. Баранова Вячеслав Львович СЕМЕНОВ, начальник сектора, занимающегося испытаниями натурных двигателей высокоскоростных ЛА, и Александр Игоревич ЛАНШИН, начальник сектора, работающего над перспективными силовыми установками АКС и ВКС.

Рассказ тем более интересен, что Россия в этих работах пока опережает всех. Германи я и США, например, намерены идти аналогичным путем. Американцы планируют для проведения летных испытаний экспериментальных гиперзвуковых двигательных установок использовать межконтинентальную баллистическую ракету «Минитмен-2».

Полеты «Спейс шаттла» и «Бурана» показали, что проблемы аэродинамики, теплозащиты, управляемости, прочности планера ЛА практически разрешены. Поэтому главным при создании ВКС и АКС являются разработка и комплексная экспериментальная доводка двигательной установки. Основу ее могут составлять гиперзвуковые прямоточные двигатели (ГПВРД) в сочетании с высокоскоростными турбокомпрессорными и комбинированными двигателями большой тяги на жидководородном топливе. ГПВРД обеспечивают наибольший удельный импульс тяги по типовой траектории полета ВКС, имеют достаточно высокую экономичность на значительном участке воздушной трассы.

Но реализовать такие конструкции мы пока не можем. Предстоят прежде всего исследования процесса горения в сверхзвуковом потоке, создание новых материалов, способных работать в условиях теплонапряженного нагруженного состояния по всему тракту двигателя. Вот почему нужны тщательные экспериментальные проработки. Об этом свидетельствуют, например, и громадные капитальные вложения США в экспериментальные исследования на стендах.

Однако специфичность рабочего процесса ГПВРД, связанная с большими скоростями перемещения в плотной атмосфере, не дает возможности полного воспроизведения условий полета на стенде со скоростями, превышающими скорость звука в 6 раз (М_п >= 6), а при М_п > 8 вообще невозможно обеспечить необходимые параметры воздушного потока на входе в двигатель. В связи с этим общей чертой национальных программ создания ВКС в различных государствах является разработка на первом этапе экспериментального ЛА для испытаний и отработки ДУ В США это Х-30, в Германии – Hytex, во Франции – STS-2000.

Но при первых же технических проработках во всех случаях приходят к выводу о необходимости в качестве предварительного этапа создавать небольшие гиперзвуковые летающие лаборатории (ГЛЛ). Летные испытания гиперзвукового двигателя необходимы для отработки его конструкции, проверки запасов работоспособности при комплексном воздействии всех влияющих факторов, оценки надежности и ресурса. По их результатам осуществляются идентификация и верификация математических моделей рабочего процесса ГПВРД. Эти ГЛЛ могут иметь различные системы разгона и совершают после отделения от них автономный полет с работающими моделями или экспериментальными модулями ГПВРД. Такие проекты имеются в США, Японии, Франции, Германии. Они предусматривают создание крылатого ЛА длиной 6-9 м, массой 2-4 т, с размахом крыла 1,8-2,5 м. Рассматриваются как ракетные, так и самолетные системы выведения этих ГЛЛ с разгоном до М_п = 14-20.

Рис. 1

Рис. 2

У нас в конце 70-х годов была принята межведомственная программа «Холод», целью которой являлось исследование проблем применения жидководородного топлива в авиации. В рамках этой программы планировалось создание гиперзвуковой летающей лаборатории с ракетной системой выведения для испытания водородного ГПВРД с тягой 300-400 кгс в реальных условиях полета.