Z atmosféry do vesmíru. Letecké a kozmické lietadlá - doprava budúcnosti

Centrum "Kozmonautika a letectvo" - najväčšie centrum vesmírneho múzea v modernom Rusku, ktoré sa nachádza v stenách historického pavilónu „Cosmos“ na.

Expozícia múzea obsahuje veľké množstvo exponátov demonštrujúcich úspechy ruskej astronautiky: od archívnych dokumentov po modely vesmírnych lodí v životnej veľkosti. Bol vytvorený s cieľom popularizovať úspechy domáceho raketového a vesmírneho, leteckého a obranného priemyslu a bol realizovaný ako spoločný projekt moskovskej vlády, VDNKh, štátnej korporácie Roscosmos a niekoľkých podnikov ruského vojensko-priemyselného komplexu. Budova legendárneho pavilónu, postaveného v sovietskych rokoch, sa stala akýmsi exponátom.

Letecké a kozmonautické centrum pri VDNKh sa svojou rozsiahlou a zaujímavou zbierkou stalo jedným z ikonických vesmírnych bodov na mape Moskvy - a predstavuje silnú turistickú atrakciu.

Expozícia

Rozsiahla expozícia múzea je venovaná úspechom ruskej kozmonautiky a sľubným projektom prieskumu vesmíru. Priestor pavilónu je konvenčne rozdelený na 3 časti: KB-1. Kozmický bulvár (múzeum a výstavný priestor), KB-2. Design Bureau (vzdelávací a vedecký priestor) a KB-3. Kozmodróm budúcnosti (interaktívny a voľný čas) , vďaka čomu je expozícia odhalená po etapách, od prvých myšlienok dobývania vesmíru až po najmodernejší vývoj.

Zoznámenie sa s exponátmi je možné jednotlivo aj s exkurziou.

V KB-1 môžete vidieť exponáty v plnom rozsahu a modely vesmírnych lodí a vozidiel v plnej veľkosti, ktoré demonštrujú realizované projekty 20. storočia a úspechy, ktoré dosiahla ruská kozmonautika. Expozícia predstavuje viac ako 120 unikátnych ukážok lietajúcej a vesmírnej technológie, ktoré ešte nikdy neboli vystavené na prehliadku v priestoroch múzea, ako aj veľké množstvo archívnych dokumentov, fotografií a videa. Najväčším exponátom bol model orbitálnej stanice Mir vyrobený v plnej veľkosti (1: 1, hmotnosť modelu je viac ako 30 ton) vrátane 4 modulov (Mir, Kvant-1, Kvant-2 a Kristall “) . Tu môžete tiež vidieť makety satelitov Sputnik-1 (1: 1) a Luch-5A (1: 1), rover Lunokhod-1 a stanicu Luna-17 (1: 1), orbitál MAKS lietadlo, raketové lietadlo BOR-4, raketový motor na kvapalné palivo RD-170, kompaktné modely kozmodrómov a rakiet, ako aj rôzne časti vesmírnych lodí. Expozícia je interaktívna: návštevníci múzea môžu nielen sledovať fotografie a videá, ale môžu si aj zahrať tematické hry na výstavách umiestnených v okolí siene.

„KB-2“ je vzdelávací priestor, kde sa nachádzajú detské vzdelávacie a mládežnícke experimentálne centrá, ako aj sekcie „Vesmírny priemysel a infraštruktúra“, „Prieskum Zeme z vesmíru“, „Prieskum planét slnečnej sústavy“, „Vesmírna medicína a biológia“ a ďalšie ... Návštevníci múzea tu môžu získať predstavu o tom, aké úlohy a projekty sú prioritami moderného vesmírneho priemyslu.

KB-3 je interaktívny priestor, zóna virtuálnej reality, ktorá návštevníkom predstavuje obraz vesmírnej civilizácie a perspektívy kozmonautiky v ďalekej budúcnosti. Stredom priestoru je dvojúrovňový expozičný modul „Monolith“, okolo ktorého a vo vnútri sú interaktívne exponáty a aktivity: simulátory hier, hovoriaci robot a 5D kino „Kozmická sféra“, v ktorom môžete sledovať štart rakety alebo pohľad na Zem z vesmíru.

Zvláštnosť expozície je v jej interaktivite: v celom pavilóne sú displeje s tematickými video a audio záznammi, vizuálne schémy zariadenia vesmírnych lodí, rôzne hry vhodné pre deti i dospelých.

Vesmírny pavilón

Pavilón č. 32-34 „Vesmír“ („Vesmír / strojárstvo“) je jedným z legendárnych pavilónov VDNKh, ktoré už dlho chátrajú.

Budovu postavili v roku 1939 architekti Ivan Taranov, Viktor Andreev a Nadezhda Bykova - pôvodne sa pavilón volal „Mechanizácia“ a bol venovaný poľnohospodárskej technike. Neskôr sa jeho expozícia rozšírila a začala niesť názov „Mechanizácia a elektrifikácia poľnohospodárstva“; v roku 1954 bol pavilón zrekonštruovaný a získal moderný vzhľad. V 60. rokoch bola expozícia úplne zmenená a v rokoch 1967 až 1991 bola v pavilóne stála expozícia venovaná prieskumu vesmíru - práve v tejto podobe si pavilón „Cosmos“ pripomenuli Moskovčania. V 90. rokoch sa však, ako mnoho iných pavilónov VDNKh, zmenil na obchodnú platformu. Tu začali predávať sadenice a tovar pre záhradníkov, pričom sa zbierky a výzdoba čiastočne stratili.

Púšť na ostrove Kosmos pokračovala až do roku 2015, kedy bol pavilón oslobodený od nájomníkov a v roku 2016 sa začalo s jeho obnovou. Pavilón bol nielen opravený a prispôsobený modernému použitiu, ale boli tiež starostlivo obnovené stratené ozdobné detaily a obnovené tie, ktoré prežili. Špecialisti zároveň pracovali na koncepte budúceho múzea.

13. apríla 2018 bolo v zrekonštruovanom vesmírnom pavilóne otvorené Letecké a kozmonautické centrum a po dlhých rokoch zanedbávania sa legendárny pavilón opäť stal jednou z najmocnejších pamiatok Moskvy.

Vesmírny pavilón v súčasnosti nie je len budovou, ale aj vynikajúcou pamiatkou sovietskej architektúry, ktorá sama o sebe slúži ako cenný exponát. Návštevníci centra letectva a kozmonautiky ho majú možnosť vidieť nielen zvonka, ale aj zvnútra: pozrieť sa na smaltový panel o elektrifikácii ZSSR, erby republík únie a obrovskú kremeľskú hviezdu pod kupolou.

Otváracie hodiny, ako sa tam dostať

Centrum kozmonautiky a letectva v pavilóne Cosmos je otvorené pre verejnosť každý deň okrem pondelka. Najlepšie je navštíviť ho cez pracovné dni, keď je v pavilóne menej návštevníkov.

Otváracia doba: od 11:00 do 22:00. Návšteva je organizovaná zasadnutím:

11:00 - 13:00;

13:00 - 15:00;

15:00 - 17:00;

17:00 - 19:00;

19:00 - 21:00 (vstup na posledné sedenie je možný len do 21:00, od tohto času do 22:00 je centrum otvorené iba pre výstup).

Náklady na návštevu: 500 rubľov - plný, 250 rubľov - prednostný, pre niektoré preferenčné kategórie je poskytnutý bezplatný vstup.

Oficiálna stránka centra „Kozmonautika a letectvo“: cosmos.vdnh.ru - na ňom môžete skontrolovať otváracie hodiny a ceny lístkov na konkrétny vybraný deň, ako aj kúpiť lístky online alebo si rezervovať výlet.

Vesmírny pavilón sa nachádza na priemyselnom námestí VDNKh na adrese Prospect Mira, 119, budova 34. Dostanete sa k nemu pešo zo stanice metra "VDNKh" Linka Kaluzhsko-Rizhskaya.

Dnes už Shuttles nikoho neprekvapíte. Málokto však vie, že prvé „vesmírne lietadlá“ vznikli takmer pred štyridsiatimi rokmi. V roku 1965 sa začali komplexné štúdie o možnostiach vytvorenia orbitálneho lietadla schopného štartovať a pristávať ako bežné lietadlo.

MiG-105-11 / Foto: www.flickr.com

Zúčastnili sa ich Korolev a Tupolev a samotný vesmírny letún plánoval postaviť MiG KB. Projekt bol oficiálne zahájený 26. júna 1966. Súčasne začali vytvárať špeciálnu skupinu kozmonautov, ktorí mali zdvihnúť vesmírnu loď do vzduchu. O desať rokov neskôr, v októbri 1976, prvýkrát vzlietlo nové lietadlo s názvom EPOS (Experimental Passenger Orbital Plane).

Je pravda, že vzlietol nízko - iba 560 metrov, a tak „nízky, nízky“ preletel 19 kilometrov - na letisko testovacieho centra. Žukovskij.

O rok neskôr, 27. novembra 1977, MiG-105-11 (teraz je známy ako „EPOS“) uskutočnil prvý „letecký“ štart-vesmírny letún bol pomocou lietadla vyzdvihnutý do výšky 5 000 metrov. Tu-95K. Po úspešnom lete MiG-105 v rámci experimentu pristál na hlinenej dráhe (bez špeciálneho povlaku).

Ôsmy let vesmírneho lietadla (v septembri 1978) sa ukázal byť posledným: počas pristávania došlo k nehode, zariadenie bolo vážne poškodené a bolo vyradené z prevádzky. Pretože v tom čase sa vedenie krajiny rozhodlo vytvoriť ťažšie, viacmiestne opakovane použiteľné kozmické lode (budúce „Burany“), MiG-105-11 neprešiel do sériovej výroby.

Projekt bol uzavretý, ale prototyp bol všeobecne uznávaný ako veľmi úspešný, takže mnohé z jeho konštrukčných a technologických riešení boli následne použité pri vývoji ďalšej generácie „vesmírnych raketoplánov“.

MiG-105-11 mal charakteristickú siluetu / Foto: www.buran.ru

Skúšobný MiG-105-11 / Foto: www.buran.ru

Pri prepnutí na podzvukovú rýchlosť boli krídla nastavené do normálnej horizontálnej polohy, čo prispelo k zvýšeniu zdvihu. Vozidlo bolo ovládané pomocou zvislého kormidla, krídeliek na koncoch klapajúcich krídel a vzduchových trysiek umiestnených v hornej časti trupu, bližšie k chvostu.

MiG-105-11 na otvorenom parkovisku / Foto: www.buran.ru

MiG-105-11 zaparkovaný v Monine / Foto: www.buran.ru

Plánovalo sa použitie rakiet Vostok vo forme štartovacieho motora MiG-105-11. Vlastný pohonný systém vesmírneho lietadla pozostával z prúdového motora RD-36-35-K s hmotnosťou 2,3 ​​tony. Zásoba paliva pre neho bola 500 kg, čo poskytovalo 10 minút letu pri maximálnom ťahu.

Typicky sa tento motor používal na štarty „kolies“, a to aj z poľných dráh (bez špeciálneho náteru).

Štrukturálne a technologické členenie draku lietadla-analóg „105.11“ / Foto: www.buran.ru

Na fotografii čísla uvádzajú:

1. nos trupu
2. ľavý predný podvozok
3. pravý predný podvozok
4. štíty podvozku
5. zadný trup
6. konzola pravého krídla
7. konzola ľavého krídla
8. krídlové konzoly
9. kormidlový kýl
10. pravý zadný podvozok
11. zadný ľavý podvozok
12. tepelný štít
13. výstuhy spojky hlavy
14. zadný trup

Orbitálny motor pozostával z hlavného motora (s ťahom 1 500 kgf) a dvoch pomocných (po 40 kgf). Okrem nich mal MiG-105-11 šesť motorov na korekciu smeru (16 kgf každý) a desať motorov na manévrovanie (každý 1 kgf). Palivové nádrže pre tieto motory boli umiestnené v strede lietadla.

Je obdivuhodné, že toľko sofistikovanej a šikovnej technológie bolo „zabalených“ do dosť skromného kufríka - 8,5 metra dlhého a 2,8 metra maximálnej šírky. Zatiaľ neboli odhalené všetky tajomstvá projektu, ktorý sa uskutočnil pred takmer štyridsiatimi rokmi.

Napríklad napríklad napriek skratke „pasažierov“ (EPOS) je známe, že MiG-105-11 bol považovaný za prototyp vesmírnej stíhačky. Aké zbrane musel nosiť a na koho zaútočiť - nepriateľské lietadlá a umelé satelity alebo možno aj pozemné objekty - nateraz zostáva záhadou ...

Schéma MiG-105-11 / Foto: www.buran.ru

Pilot-kozmonaut ZSSR, dvakrát hrdina Sovietskeho zväzu, kandidát technických vied, generálmajor pre letectvo V. Shatalov

Schéma vývoja povrchového vzduchu a vesmíru.

Koridor možných výšok a letových rýchlostí okrídlených lietadiel.

Experimentálne lietadlo amerického Národného úradu pre letectvo a vesmír na štúdium problémov spojených s vývojom hypersonických rýchlostí letu a vytvorením opakovane použiteľného vesmírneho dopravného prostriedku.

Nosné lietadlo B-52, pod ktorého trupom je zavesené experimentálne lietadlo X-15.

Letový vzor moderného stíhacieho lietadla pripomína letový vzor vyvíjaného opakovane použiteľného vesmírneho dopravného prostriedku.

Štart bojovníka s práškovými zosilňovačmi.

Bojovníci vybavení prídavnou palivovou nádržou pod trupom.

Veda a život // Ilustrácie

Veda a život // Ilustrácie

Veda a život // Ilustrácie

Keď letíte v modernej nadzvukovej stíhačke, vystúpite na samotný „strop“, do maximálnej výšky, zdá sa, že autu dosť chýba, aby sa vymanilo z gravitačného ťahu a dostalo sa na obežnú dráhu. A keď sa vrátite z kozmického letu a loď vstúpi do hustej atmosféry atmosféry, nedobrovoľne premýšľate o tom, aké dobré by bolo, keby malo vlastnosti lietadla: bolo by možné vykonať potrebný manéver a vykonať obvyklé pristátie. na letisku

Bohužiaľ, zatiaľ ani lietadlo, ani kozmická loď také vlastnosti nemajú. Som však hlboko presvedčený, že ide o dočasnú záležitosť.

Letectvo pripravilo pre zrod kozmonautiky vedecké a technické základy v oblasti elektrární, návrhu prístrojov, palubných systémov, prístrojov a zariadení, ktoré boli základom pre vytvorenie raketovej technológie. A hoci sa vesmírne lode zatiaľ len málo podobajú lietadlu a ich let sa veľmi nepodobá letu lietadla, ich dizajn a vybavenie napriek tomu obsahujú veľa okrídlených strojov.

Letectvo sa právom nazýva kolískou kozmonautiky: iba vďaka zvládnutiu letu vo vysokých rýchlostiach a nadmorských výškach, keď sa naučil vytvárať dokonalé konštrukcie lietadiel a výkonných prúdových motorov, bolo ľudstvo schopné podniknúť útok na vesmír. Mnoho vedcov a dizajnérov zapojených do prieskumu a prieskumu vesmíru bolo úzko spojených s letectvom. Nie je tiež náhoda, že prví prieskumníci vesmíru boli piloti.

Zároveň je veľa problémov vyriešených vo vývoji raketových a vesmírnych technológií a veľa výsledkov výskumu získaných pri vesmírnych letoch dôležitých pre ďalší rozvoj letectva. Ide o tepelnú ochranu konštrukcie, tepelnú reguláciu, biologickú ochranu pred kozmickým žiarením a mnoho ďalších.

Keď sledujeme pokrok v oblasti leteckých a vesmírnych technológií, máme právo položiť si nasledujúcu otázku: budú sa tieto oblasti v budúcnosti zbližovať, alebo sa budú vyvíjať rôznymi spôsobmi? Existujú vážne dôvody domnievať sa, že v blízkej budúcnosti dôjde k citeľnému zblíženiu medzi letectvom a astronautikou.

Ďalší pokrok letectva je spojený hlavne s dvoma smermi; s vytvorením airbusov - veľkých lietadiel schopných prepraviť niekoľko stoviek cestujúcich a s prechodom na ešte vyššie letové rýchlosti.

V posledných rokoch veľmi rýchlo rastie osobná doprava na leteckých linkách spájajúcich veľké mestá s miestami masového turizmu a letovísk. A keďže značnú časť dopravy v súčasnosti vykonávajú malé a stredné lietadlá, na niektorých letiskách je veľmi rušno.

Leteckí dizajnéri vidia východisko z tejto situácie vo vytvorení airbusov - veľkých lietadiel na obsluhu liniek krátkej a strednej dĺžky. Pôjde o zástupcov tretej generácie prúdových osobných vložiek. Veľké užitočné zaťaženie, vysoká cestovná rýchlosť, nízka spotreba paliva na kilometer, nízke náklady na údržbu, dlhá životnosť lietadla, motorov a všetkých jednotiek - to by mali byť výhody Airbusov.

V Sovietskom zväze vývojová kancelária Sergeja Vladimiroviča Iľjušina vyvíja airbus Il-86. Bude schopný prepraviť 350 pasažierov rýchlosťou 950 kilometrov za hodinu s dosahom až 4 600 kilometrov.

Hranica rýchlosti letov v rámci Zeme je známa - už ju dosiahli balistické rakety a umelé satelity Zeme. Toto je prvá vesmírna rýchlosť - 7,9 km / s. Letectvo je tomu ešte ďaleko - svetové úspechy v rýchlosti lietadiel sú niekde v rozmedzí 3 až 4 000 kilometrov za hodinu, to znamená 1 km / s.

Čo stojí v ceste dosiahnutiu vysokých letových rýchlostí leteckou dopravou?

Letectvo vďačí za svoj vznik a rozvoj vzdušnému obalu planéty. Air vytvára podporu pre lietajúce lietadlo, umožňuje vám manévrovať vo vesmíre, slúži aj na „dýchanie“ motorov. Ale súčasne vzduch vytvára aj aerodynamický odpor, pričom sa prekonáva značný výkon motora a so zvýšením rýchlosti sa tento odpor prudko zvyšuje. Na ceste k vysokej rýchlosti letu navyše vzduch kladie množstvo prahových prekážok a bariér. Toto je dnes už dobre známa zvuková bariéra. Už ho prekonalo nielen vojenské, ale aj civilné letectvo. Nebolo to však jednoduché a ani hneď. Je to tiež tepelná bariéra - neprijateľné zahrievanie lietadla pri lete trojnásobnou alebo viacnásobnou rýchlosťou zvuku. Vojenské letectvo sa k tejto bariére priblížilo pred niekoľkými rokmi. Experimentálne lietadlá robia výpady mimo neho. Ale zatiaľ je to len test sily.

Cestou by som rád poznamenal, že samotný názov „bariéra“ pre letectvo nie je celkom úspešný. Nie sú to bariéry v obvyklom zmysle slova - prekonaná a potom opäť ľahká cesta. Je to skôr línia, v ktorej sa letectvo stretáva s novými vážnymi ťažkosťami a akonáhle sa raz objaví, už nezmizne, ale vyžaduje si neustálu pozornosť.

Lietadlo, ktoré prekročilo rýchlosť zvuku a prelomilo zvukovú bariéru, ho stále ako keby stále nesie na sebe vo forme rázovej vlny a stáva sa akýmsi zdrojom nepretržitého, nekonečne natiahnutého výbuchu. Rovnaká situácia s tepelnou bariérou.

S rozvojom letectva musia konštruktéri riešiť stále komplexnejšie problémy.

Ak napríklad pri nízkych rýchlostiach letu v atmosfére sú aerodynamické výpočty robené nezávisle od tepelných, potom pri lete nadzvukovými rýchlosťami v aerodynamických výpočtoch treba vziať do úvahy prenos tepla, vyriešiť problém tepelnej ochrany vozidlo, to znamená vyriešiť typický problém teórie prenosu tepla a hmoty.

Moderné parníky obvykle lietajú vo výške 8-10 kilometrov rýchlosťou asi 900 kilometrov za hodinu. Za týchto podmienok je aerodynamické zahrievanie zanedbateľné a nie je brané do úvahy. Ak lietadlo letí v tejto výške rýchlosťou 3 000 kilometrov za hodinu, potom, ako ukazujú najjednoduchšie výpočty, teplota inhibovaného prúdenia vzduchu - vrstvy vzduchu umývajúceho povrch lietadla - bude plus 280 stupňov Celzia. Pri hypersonických rýchlostiach (prekročenie rýchlosti zvuku päťkrát a viac) prekročí tisíc stupňov. Pri rýchlosti 10 000 kilometrov už teplota dosiahne 3600 stupňov,

Tvorcovia vesmírnych technológií už stáli pred ťažkými úlohami tepelnej ochrany. Boli vyvinuté takzvané ablačné povlaky, ktorých vlastnosti tepelného tienenia sú založené na prechode materiálu z pevného stavu do plynného stavu, pričom sa obchádza kvapalná fáza. Ablačné povlaky chránia zostupné vozidlo kozmickej lode, ktoré sa pri jej zostupe v zemskej atmosfére spomaľuje, pred tepelnými tokmi dosahujúcimi 6-8 tisíc stupňov. Účinok takýchto povlakov je však spojený s hmotnostným sklonom a v dôsledku toho so zmenou tvaru povlaku, čo je pre vozidlá používajúce za letu zdvíhaciu silu krídel a tela vybavenú aerodynamickými ovládačmi úplne nežiaduce.

Ale aj keby bolo možné vytvoriť spoľahlivú tepelnú ochranu, pri hypersonických rýchlostiach v zvládnutých nadmorských výškach by to bolo z ekonomických dôvodov nerentabilné - spotreba energie na prekonanie aerodynamického odporu vzduchu by bola príliš veľká.

Preto je možné lietať vysokou rýchlosťou iba vo vzácnej atmosfére. Tu je možné úlohy tepelnej ochrany zariadenia vyriešiť dostupnými prostriedkami. Inými slovami, je potrebné vystúpiť do oblasti ešte nezvládnutých výšok, do oblasti horných vrstiev atmosféry, ktorá leží medzi výškami 30 až 150 kilometrov. Lietadlá sem nemôžu lietať kvôli nedostatočnému zdvihnutiu krídel a ťahu prúdového motora a orbitálny let kozmickej lode v takýchto výškach je nemožný kvôli veľkému aerodynamickému brzdeniu. Táto oblasť vzácnej atmosféry stále oddeľuje letectvo a astronautiku, neumožňuje medzi nimi nadviazať užšiu interakciu.

Je takáto interakcia potrebná? Ano treba. V blízkom zemskom priestore sa bez neho len ťažko zaobídeme. S ďalším rozširovaním ľudskej činnosti v tejto oblasti budú všetky služby medzi Zemou a obežnými dráhami Zeme zrejme musieť prevziať vozidlá typu lietadlo.

Existujú nejaké dôkazy o tom, že sa letectvo a astronautika usilujú o zvládnutie priestoru vyšších vrstiev atmosféry?

Existuje ... A už veľa.

Najmä experimentálne lietadlá s ľudskou posádkou s raketovými motormi na kvapalné palivo vypustené v USA z nosných lietadiel dosiahli výšku viac ako 80 kilometrov a rýchlosť letu asi 6 tisíc kilometrov za hodinu. Po oddelení od nosičov lietadlo zrýchlilo a vstúpilo na balistickú trajektóriu. Na ovládanie mimo hustej atmosféry používali namiesto aerodynamických prúdové kormidlá. Obmedzená dodávka paliva však umožnila lietadlu vykonať iba akýsi zoskok, po ktorom plánovali a pristáli.

Pri letoch experimentálnych raketových lietadiel sa vedcom a konštruktérom podarilo získať odpovede na mnohé otázky. Dozvedeli sa najmä veľa o aerodynamike a stabilite vozidiel lietajúcich pri nadzvukových rýchlostiach, o vplyve aerodynamického vykurovania na ich konštrukciu a výkonnosť systémov, o zvláštnostiach vstupu do hustých vrstiev atmosféry vysokou rýchlosťou pomocou zdvihu.

Letectvo sa blíži do oblasti nerozvinutých výšok zdola, astronautika - zhora.

Ako viete, zostup lodí Vostok a Voskhod sa uskutočnil po balistickej trajektórii. Rozptyl (inými slovami ukazovateľ nepresnosti zasiahnutia vypočítaného bodu pristátia) a preťaženia počas takéhoto klesania boli dosť významné, pretože zariadenie sa úplne odovzdalo sile prvkov - nebolo možné ho ovládať.

Nižšie preťaženie počas zostupu a výrazne väčšiu presnosť pristátia bolo možné dosiahnuť iba pri kontrolovanom klesaní, to znamená pri takom klesaní, keď je trajektória zostupu lode riadená v atmosfére. Takto klesá Sojuz. Je pravda, že tento spôsob zostupu z obežnej dráhy si vyžadoval prekonanie mnohých technických ťažkostí. Najprv bolo potrebné dať zostupovému vozidlu tvar, ktorý mu poskytne aerodynamickú kvalitu. (Táto charakteristika, ktorá pochádza z letectva, je pomer zdvíhacieho dúška zariadenia k hodnote jeho odporu.) Okrem toho bolo potrebné vytvoriť systém, ktorý bude ovládať vesmírnu loď pri mimosférickom aj atmosférickom lete. sektorov a vyriešiť množstvo ďalších problémov. Ale na druhej strane kontrolovaný zostup umožnil znížiť sily G 2-3 krát (z 8-10 na 3-4 jednotky) a výrazne znížiť rozptyl pristávacieho bodu.

Od riadeného zostupu kozmickej lode po riadený let v horných vrstvách atmosféry je vzdialenosť samozrejme obrovská. Napriek tomu je možné usúdiť, že určitý krok v tomto smere urobila astronautika.

V posledných rokoch sovietsky vedci vykonali množstvo ďalších experimentov, ktoré sú dôležité pre superhigh and super-speed speed Aviation of the future. Mám na mysli experimenty v automatických ionosférických laboratóriách Yantar.

Na tieto laboratóriá, spustené pomocou geofyzikálnych rakiet, boli nainštalované elektrické pohonné motory. Testy ukázali pomerne stabilnú prevádzku týchto motorov v rôznych výškach a v rôznych režimoch. Je pozoruhodné, že na palube nebolo palivo ani oxidačné činidlo. Pracovnou tekutinou bol atmosférický dusík, aj keď bol vopred ionizovaný. Bola teda dokázaná skutočná možnosť použitia elektrických prúdových motorov pre vozidlá lietajúce v horných vrstvách atmosféry.

Proces vzájomného prieniku letectva a astronautiky sa začal už veľmi dávno a v poslednej dobe prebieha obzvlášť aktívne. Ak bolo pred desiatimi rokmi stále ťažké hovoriť o zariadeniach kombinujúcich vlastnosti kozmickej lode a lietadla, teraz sa situácia zmenila. Vzhľad takýchto zariadení sa zdá byť celkom jasný. A nielen preto, že bolo vykonaných mnoho zásadných štúdií. Hlavná vec je, že ciele ich tvorby sa stali konkrétnejšími a konkrétnejšími.

Budúcnosť astronautiky je do značnej miery spojená s dlhodobými vesmírnymi stanicami a laboratóriami na rôzne účely. Sovietska veda považuje ich stvorenie za hlavnú cestu človeka do vesmíru.

Skúsenosti s vytváraním a prevádzkou orbitálnych staníc sovietskeho „Saljuta“ a amerického „Skylabu“ ukázali, že moderná kozmonautika je už schopná takej úlohy.

Samotné stanice však predstavujú iba časť vesmírneho systému. Na ich prevádzku - striedanie posádok, dodávka potravín, paliva do motorov a ďalších materiálov - sú potrebné transportné lode, ktoré by pravidelne lietali po trase Zem - obežná dráha - Zem.

Tento odkaz v systéme sa zatiaľ ukázal ako najslabší. Moderné raketové a vesmírne vozidlá sú relatívne drahé, majú nedostatočnú nosnosť a príprava na štart trvá dlho. Všetky vesmírne lode (s posádkou aj bez posádky) teraz vypúšťajú do vesmíru pomocou jednorazových nosných rakiet. Zložité vesmírne lode sú tiež navrhnuté len na jeden let.

Je možné zmieriť sa napríklad s tým, že niekoľko rokov rozostavaná veľká zaoceánska loď je určená na jedinú plavbu? A v astronautike je to presne tak.

Zoberme si napríklad americkú nosnú raketu Saturn 5, ktorá zabezpečovala misie Apollo na Mesiac. Tento obr s výškou viac ako 100 metrov a hmotnosťou takmer 3 tisíc ton skutočne prestal existovať niekoľko minút po štarte. Ale každá taká raketa stojí až 280 miliónov dolárov. Po 10-12 dňoch zostala z celého komplexného systému Saturn-Apollo, v ktorom sa posádka vrátila na Zem, iba malá zostupná kapsula, spálená v atmosfére a prakticky nevhodná pre ďalšiu prevádzku. Víťazná cesta kozmonautiky je posiata spálenými úlomkami rakiet, blokov vesmírnych lodí a satelitov vyhodených na obežnú dráhu.

Táto „disponibilita“ technológie sa stáva vážnou brzdou ďalšieho rozvoja astronautiky a vesmírneho výskumu. Na začiatku, keď nebolo toľko štartov a výskum nebol kosený v takom veľkom rozsahu, dalo sa to tolerovať. V budúcnosti bude takýto odpad nemožný.

Odborníci vidia východisko z tejto situácie vo vývoji zásadne nových vesmírnych dopravných prostriedkov. Existuje mnoho rôznych projektov, ale všetky také lode, ako ich konštruktéri koncipovali, by mali „byť schopné“ lietať v atmosfére, ísť na obežnú dráhu Zeme, zostať v nej dlho a potom pristáť ako lietadlo na ich letisku. A čo je najdôležitejšie, uložte čo najviac systémových prvkov na opakované použitie.

Aby nové vesmírne lode splnili tieto požiadavky, musia sa výrazne líšiť od súčasných. V každom prípade by ich obežné fázy mali mať veľa z toho, čo má moderné lietadlo.

Pri hľadaní schémy novej vesmírnej dopravnej lode prešlo vedecké a technické myslenie dlhou a náročnou cestou. Ideálny dizajn lode, ktorý spĺňa najprísnejšie požiadavky, sa teraz považuje za dvojstupňový dizajn s paralelným usporiadaním schodov. Oba stupne, obnoviteľné, s posádkou, sú vybavené krídlom; ako lietadlo štartujú z letiska a pristávajú na letisku. Takáto loď môže byť znázornená vo forme dvoch rovín: na dne je veľká - pomocná rovina a na nej menšia. Veľký vzlieta z letiska a po dosiahnutí projektovanej rýchlosti sa od neho oddelí menší a pomocou svojich motorov sa vydá na obežnú dráhu. Pomocné lietadlo sa medzitým vracia na letisko. Po splnení úlohy orbitálne lietadlo opustí obežnú dráhu a pristane aj na letisku.

Pre opakovane použiteľné kozmické lode je vhodnejší horizontálny alebo letecký štart, hoci raketový štart produkuje veľké užitočné zaťaženie. Horizontálne spustenie umožňuje vykonať bočný manéver, keď je kozmická loď vytiahnutá, a spustiť druhý stupeň takmer kedykoľvek bez obmedzenia azimutu. To znamená, že dopravný systém s horizontálnym štartom je manévrovateľnejší.

Realizácia takéhoto projektu je však aj dnes príliš náročná. Predbehla dobu a obsahuje mnoho nevyriešených problémov.

Zatiaľ najprijateľnejší je projekt dopravnej lode, v ktorom je prvý stupeň bez posádky, čiastočne obnoviteľný na opätovné použitie, a druhý stupeň je s posádkou, typu lietadla. Odchod z „ideálnej“ schémy znamená v prvom rade návrat k vertikálnemu štartu rakety, stratu niektorých prvkov systému za letu. Poznámka: strata nie celej nosnej rakety a nie celej lode, ako je to teraz, ale iba niektorých prvkov.

V USA sa vyvíja vesmírna dopravná loď s názvom Shuttle (Shuttle). Má dvojstupňové paralelné usporiadanie schodov, oba stupne sú vratné; pohonné systémy stupňov sú zapnuté súčasne. Prvý stupeň pozostáva z dvoch záchranných (teda návratných na Zem a recyklovateľných) bezpilotných raketových jednotiek poháňaných tuhým palivom. Druhý stupeň je krídlový s posádkou, vybavený raketovými motormi na vodík-kyslík a palivovou nádržou spadnutou pred vstupom na obežnú dráhu. Táto schéma využíva výhody rakety, najmä využíva vysokoenergetické palivo a vertikálne štartovanie. Jediná časť systému, ktorá sa stratí počas letu, je palivová nádrž druhého stupňa.

Celý tento systém trochu pripomína stíhačku vybavenú prídavnou ventrálnou palivovou nádržou a dvoma práškovými posilňovačmi. Vzlet takéhoto lietadla bol viackrát demonštrovaný na leteckých prehliadkach. Len na rozdiel od nej bude mať vesmírna dopravná loď obrovskú palivovú nádrž, ktorá je takmer dvakrát väčšia ako hmotnosť a hmotnosť samotnej lode. A namiesto kompaktných práškových posilňovačov - dve veľké záchranné raketové jednotky na tuhé palivo.

Keď sme si všimli nedostatky existujúcich vesmírnych lodí s posádkou, pomenovali sme dve: jednorazovosť a nedostatočná nosnosť. V skutočnosti je nevýhod oveľa viac. Najmä súčasné lode nie sú veľmi manévrovateľné, vykonávajú iba výlet padákom a na vyhľadávanie a evakuáciu ich zostupových vozidiel je potrebná špeciálna služba. Aj keď všetci lietajú na „tvrdých“ obežných dráhach, nemanévrujú s orbitálnou rovinou, pretože takýto manéver je spojený s obrovskou spotrebou paliva. Výsledkom je, že lode nemôžu zostúpiť do danej oblasti, ak cez ňu neprejde ďalšia slučka.

Vytvorenie zariadenia s vynikajúcou manévrovateľnosťou na obežnej dráhe by výrazne rozšírilo vyhliadky všetkých astronautov blízkych Zeme. Už nebolo možné vypúšťať, ale jednoducho dodávať satelity, ktoré nie sú na obežných dráhach v nákladnom priestore lode, udržiavať a opravovať ich vo vesmíre, vrátiť sa k výskumu a pozorovacím materiálom Zeme vyrobeným satelitmi a dokonca aj k samotným satelitom, ak zlyhajú. Už by nemuselo riešiť komplexné problémy spojené najmä s oddelením nosných kužeľov, rozmiestnením antén, solárnymi panelmi. Na obežnej dráhe je možné pred oddelením satelitu od kozmickej lode skontrolovať činnosť jej zariadenia. Náklady na vývoj kozmických lodí, ktoré sa majú vypustiť na obežnú dráhu, by sa výrazne znížili, pretože obmedzenia ich hmotnosti a rozmerov by boli menej prísne. Okrem toho by sa dalo upustiť od komplexných opatrení ochrany pred účinkami veľkého preťaženia, vibrácií a hluku.

S pomocou manévrovania vozidiel s posádkou je možné zorganizovať efektívnu pomocnú službu vo vesmíre.

Záchranná loď sa dnes môže v núdzi priblížiť k lodi, iba ak je spustená v momente, keď obežná dráha lode v núdzi prejde ponad miesto štartu. A to sa opakuje iba raz denne.

Teraz si predstavme, že je potrebné urýchlene evakuovať posádku orbitálnej stanice a že vo vesmíre už existuje loď, ktorá je na to vhodná, ale uhol sklonu jej obežnej dráhy vzhľadom na rovinu zemského rovníka nie je rovnaký ako na obežnej dráhe stanice. Teraz v takejto situácii nemožno urobiť nič, aby sa loď a stanica priblížili k sebe. Dopravná loď s aerodynamickou kvalitou je však schopná vykonať požadovaný manéver. Aby to urobil, bude sa musieť ponoriť do atmosféry, vykonať potrebné zmeny a potom sa vrátiť na obežnú dráhu. Opakovaným ponorením do atmosféry sa dá rovina obežnej dráhy kozmickej lode výrazne zmeniť. To samozrejme vyžaduje aj spotrebu paliva, ale oveľa menej ako manévrovanie na obežnej dráhe, pretože atmosféra takejto lodi pri vykonávaní manévru pomáha.

Keď vo svetle nových požiadaviek na vesmírny let začnete premýšľať: čo je potrebné zlepšiť - moderná vesmírna loď alebo moderné lietadlo, nevyhnutne prídete na to, že cesta k novej vesmírnej lodi z letectva je možno , bližšie ako z astronautiky. Orbitálny stupeň tejto lode by mal mať všetko, čo má lietadlo: dostatočne dlhý trup, krídla, približovací systém, podvozok, aerodynamické ovládanie.

Vývoj takejto lode (právom ju možno nazvať leteckým a kozmickým lietadlom) však nie je jednoduchá. Mnoho vedeckých a technických problémov, ktoré boli v minulosti vyriešené v súvislosti s potrebami astronautiky, sa musí vyriešiť znova. Zoberme si napríklad tepelnú ochranu orbitálneho stupňa pri vstupe do hustých vrstiev atmosféry. Je potrebné vyvinúť nové metódy tepelnej ochrany a nové materiály tepelného tienenia.

Na rozdiel od zostupného vozidla kozmickej lode musí orbitálny stupeň vzdušného priestoru rozptyľovať významnú časť kinetickej energie nie v hustej atmosfére, ale vo vysokých nadmorských výškach, v dôsledku čoho bude jej ohrev určený predovšetkým uhol vstupu do atmosféry. Tepelný režim orbitálneho stupňa pri vstupe do hustých vrstiev atmosféry môže uľahčiť jeho zostup vo vysokých uhloch útoku. Potom bude dopadajúcim prúdením priamo ovplyvnený iba spodný povrch schodu, ktorého plocha je približne jedna tretina celého povrchu. To znamená, že väčšina povrchu orbitálneho systému nebude vyžadovať komplexnú tepelnú ochranu. A čo je najdôležitejšie, nebudú existovať oblasti s veľmi vysokými teplotami, ktoré sa pozorujú pri nízkych uhloch útoku.

Trvanie letu v atmosférickom úseku zostupu novej vesmírnej lode sa môže predĺžiť z desiatich minút, ako je to teraz, až na hodinu alebo viac. Za týchto podmienok sa teplota väčšiny, ak nie celej štruktúry zariadenia, bude blížiť rovnovážnej teplote žiarenia, čo umožní nepoužívať na tepelnú ochranu ablatívne materiály.

Konštrukcia žiarením chladenej štruktúry však vyžaduje presné znalosti lokálnych tepelných tokov po celom povrchu. Voľba materiálov by mala byť vykonaná bez chýb, ktoré sú prijateľné s hrubším tepelným štítom ablatívneho materiálu. Pretože tepelné toky súvisia s distribúciou tlaku, je výber geometrického tvaru prístroja veľmi dôležitý.

Pri štúdiu rôznych foriem vesmírnych lietadiel sa osobitná pozornosť venuje ich manévrovateľnosti pri nadzvukovej rýchlosti a hodnote aerodynamickej kvality. Čím väčšiu aerodynamickú kvalitu bude mať takéto lietadlo, tým menej bude musieť čakať na chvíľu deorbitácie, kým sa vráti do danej oblasti zemegule. S dostatočne veľkou hodnotou aerodynamickej kvality môže vozidlo dosiahnuť ktorékoľvek miesto na zemskom povrchu, kedykoľvek z obehu klesnúť.

Technológia už má skúsenosti s vytváraním všestranných vozidiel, akými sú napríklad plávajúce a lietajúce autá alebo obojživelné lietadlá. Vo väčšine prípadov sú v nich mechanicky kombinované rôzne stroje, ktoré pracujú nezávisle. Napríklad plávajúce auto má stále všetko, čo potrebujete na pohyb na súši, plus vodotesné puzdro, vrtuľu alebo vodný lúč. Obojživelné lietadlo je čln alebo katamarán plus lietadlo.

Lietanie v dvoch médiách, ktoré sú od seba navzájom odlišné, ako je atmosféra a vesmírne vákuum, si bude vyžadovať vybavenie novej vesmírnej lode aerodynamickými aj plynovými reaktívnymi ovládacími prvkami. Prvý (kýl, kormidlo, elevány) bude určený na let v hustých vrstvách atmosféry, druhý (skupiny prúdových motorov alebo plynové dýzy) - na let vo vesmíre a vo vyššej vzácnej atmosfére. Táto kombinácia sa považuje za techniku ​​vynútenú, nežiaducu, ale nevyhnutnú,

Nové zariadenie by v zásade mohlo byť vybavené iba plynovo -reaktívnymi ovládacími prvkami - prúd trysky je univerzálny pre obe médiá, ale v tomto prípade by bolo potrebné opustiť mnohé výhody, ktoré atmosféra dáva, mať výrazne väčšiu zásobu palivo alebo plyn a noste tieto zásoby do konca letu ....

Bočný manéver a manéver dosahu (napríklad pri výbere bodu pristátia) bude vesmírna rovina vykonávať kvôli aerodynamickým silám, pričom zmení svoj uhol náklonu a uhol nábehu. Hodnota bočného rozsahu (maximálna odchýlka doprava a doľava) závisí od aerodynamickej kvality orbitálneho stupňa: čím je vyšší, tým je bočný rozsah väčší. Aby sa dosiahol napríklad bočný rozsah ± 2 000 km, musí mať orbitálny stupeň zostupovú aerodynamickú kvalitu asi 1,3.

Bolo by márne uvažovať o všetkých problémoch spojených s vytvorením kozmickej lode nového typu - je ich veľa. Ide o stabilitu a ovládateľnosť vozidla, najmä pri vstupe do atmosféry a počas pristávania, ide o pohonné systémy pre oba stupne, tankovanie a skladovanie paliva. Nová kozmická loď bude potrebovať malé zdroje energie - nie je kam inštalovať solárne panely. Bez vylepšenia veliteľského a meracieho komplexu, vývoja nových záchranných systémov pre kozmonautov vo všetkých fázach letu sa nemožno zaobísť bez vyriešenia mnohých operačných problémov. Riešenie všetkých týchto problémov je však v silách modernej vedy a technológie. Vytvorenie vesmírneho lietadla je veľmi skutočná vec a je zrejmé, že nie je ďaleko, keď budeme svedkami jeho prvého letu.

Úzke partnerstvo medzi letectvom a astronautikou, týmito pokročilými oblasťami vedy a techniky, bude ťažiť nielen z astronautiky. Letecké úspechy môžu byť v blízkej budúcnosti nemenej pôsobivé. Rozvoj nadzvukových rýchlostí a vysokých nadmorských výšok bude impulzom pre rozvoj nadzvukových lietadiel ako vozidla. Lietadlá, ktoré nahradia moderné nadzvukové dopravné lietadlá, budú schopné za niekoľko hodín dopraviť ľudí a náklad kamkoľvek na svete.

Z atmosféry do vesmíru. Letecké a kozmické lietadlá - doprava budúcnosti

Intenzívny prieskum vesmíru blízko Zeme v blízkej budúcnosti povedie k prudkému nárastu obežných tokov nákladu. Na základe leteckých lietadiel (VKS) s kombinovanou elektrárňou je možné vytvoriť zásadne nové systémy pre vesmírny transport. V počiatočnom štádiu zrýchlenia používa VKS vzduch na vytvorenie zdvihu a atmosférický kyslík na oxidáciu paliva, ako konvenčné lietadlo. To umožňuje výrazne znížiť náklady na palivo a štartovaciu hmotnosť v porovnaní s konvenčnými raketovými systémami.

Trvanie letu nadzvukovou rýchlosťou kladie na takéto lietadlo osobitné požiadavky, pretože je vystavené silným tepelným a silovým účinkom atmosféry. Jedným z riešení na zníženie aerodynamického odporu je aktívna kontrola toku lietadla dodávaním tepla do prichádzajúceho nadzvukového prúdu pomocou laserového alebo mikrovlnného žiarenia.

Vyhliadky na využitie vesmíru v blízkosti Zeme sú obrovské. Komunikačné a navigačné systémy, monitorovanie životného prostredia, prieskum nerastných surovín, kontrola klímy, výroba nových materiálov a oveľa, oveľa viac. Celá táto činnosť bude vyžadovať vytvorenie a prevádzku viacúčelových vesmírnych staníc, čo znamená dodanie veľkého množstva nákladu na obežnú dráhu Zeme. Úloha vrátiť poškodené a opotrebované štruktúry z vesmíru je čoraz naliehavejšia, pretože jej „upchatie“ hrozí vážnymi komplikáciami. Z tohto dôvodu je nevyhnutne potrebné vytvoriť zásadne nové vesmírne lode, ktoré budú schopné vyrovnať sa so zvýšeným tokom dopravy v blízkej budúcnosti.

Raketové systémy, ktoré dnes existujú, nie sú schopné zabezpečiť pohyb nákladu vo veľkých objemoch na obežnú dráhu Zeme. Príčiny toho spočívajú nielen vo vysokých nákladoch, ale aj v dlhom čase prípravy a v malom počte samotných štartovacích komplexov.

Na základe toho možno vytvárať nové dopravné systémy kozmické lietadlo(VKS) s kombinovanou elektrárňou vrátane ramjet motor(Motor Ramjet), poháňaný vodíkom, a raketový motor na kvapalné palivo(LRE). Použitím vzduchu na vytvorenie zdvihu a atmosférického kyslíka na oxidáciu paliva na väčšine atmosférických úsekov trajektórie zrýchlenia je možné výrazne znížiť spotrebu paliva a štartovaciu hmotnosť VKS. Takéto letecké lietadlo je schopné dopraviť náklad na obežnú dráhu blízko Zeme, ktorej hmotnosť predstavuje 3 - 5% vzletovej hmotnosti. Podľa odborníkov budú zároveň jednotkové náklady na doručenie 20 - 50-krát nižšie ako pri použití rakiet.

Ako lietadlo má letecký vesmír oproti raketovým systémom množstvo ďalších výhod. Môže štartovať horizontálne z akéhokoľvek letiska (nie sú potrebné zložité a drahé štartovacie komplexy) a príprava na štart trvá podstatne kratšie. VKS je schopný vstúpiť na požadovanú obežnú dráhu blízko Zeme manévrovaním v atmosfére, a nie vo vesmíre, čo si vyžaduje oveľa nižšie náklady na palivo. Prakticky nemá vylučovaciu zónu charakteristickú pre rakety, do ktorej spadajú strávené konštrukčné prvky. Vďaka týmto výhodám je možné VKS použiť na rýchle záchranné operácie.

Na takéto „univerzálne“ lietadlo sú však kladené špeciálne požiadavky. Na rozdiel od reentrantných oddelení vesmírnych lodí musia vzdušné sily skutočne vykonať dostatočne dlhý let v atmosfére nadzvukovou rýchlosťou s použitím nepretržite fungujúceho pohonného systému. Preto sú hlavné ťažkosti pri vytváraní takéhoto lietadla v prvom rade dôsledkom štruktúry tepelných a silových účinkov atmosféry.

Počas letu je maximálny tlak na vozidlo úmerný štvorcu prichádzajúcej rýchlosti prúdenia a tepelné zaťaženie v kritickom bode luku vozidla, ktoré zodpovedá bodu stagnácie toku, je kockou rýchlosti. Výsledkom je, že pri hypersonických letových rýchlostiach (M *> 6) sa tepelné zaťaženie zvyšuje takmer desaťkrát alebo viac v porovnaní s nadzvukovými rýchlosťami (M ≤ 3) a rovnovážna teplota izolovanej škrupiny lietadla je takmer trikrát .

Riešenie týchto problémov pri vytváraní hypersonických lietadiel vyžaduje, aby konštruktéri hľadali zásadne nové vedecké a technické nápady, predovšetkým v oblasti materiálov, aerodynamiky a prenosu tepla.

Hlavná hmotnosť - palivo

Výskum vývoja technológie pre nadzvukový let s nárazovým motorom bežiacim na vodík sa uskutočňoval od polovice minulého storočia v mnohých zahraničných krajinách (USA, Francúzsko, Nemecko, Japonsko, Čína, Austrália), ako aj v ZSSR, kde boli vyvinuté dva hypersonické systémy - špirála „a“ Buran “.

Napriek značnému pokroku dosiahnutému vo vývoji technológií videokonferencií mnohé problémy zostali nevyriešené. A prvé v tejto sérii sú vzájomne súvisiace problémy motora a konfigurácie samotného lietadla, pretože spotreba paliva na štart na obežnú dráhu je určená hlavne charakteristikami elektrárne a aerodynamickou kvalitou usporiadania lietadla.

Na základe štúdií aerodynamickej kvality konfigurácií lietadiel a špecifického impulzu nárazového motora pomocou experimentálnych modelov na Ústave teoretickej a aplikovanej mechaniky sibírskej pobočky Ruskej akadémie vied je hmotnosť paliva potrebná na zrýchlenie VKS na 1. kozmickú rýchlosť ** bola vypočítaná. Ukázalo sa, že by to malo byť asi 70% jeho počiatočnej hmotnosti. Výpočty ukázali, že hodnota počiatočnej hmotnosti je veľmi citlivá na odchýlky v relatívnej hmotnosti paliva. Napríklad zníženie (zvýšenie) spotreby paliva o 1% povedie k zodpovedajúcej zmene hmotnosti štartu kozmickej lode o 25%.

Preto nie je prekvapujúce, že na hmotnosť samotnej štruktúry VKS sú kladené veľmi prísne obmedzenia. Relatívne veľká hmotnosť konštrukcie je povolená iba pre viacstupňové systémy, najmä za predpokladu, že vyčerpané konštrukčné prvky klesnú v určitých častiach dráhy letu. Prevádzkové podmienky viacstupňových systémov sa však komplikujú a náklady sa zodpovedajúcim spôsobom zvyšujú.

Ohrejeme vzduch

Zníženie spotreby paliva je možné dosiahnuť zvýšením aerodynamickej kvality (t. J. Pomerom aerodynamického zdvihu k aerodynamickému odporu) a špecifického impulzu elektrárne (pomer ťahu motora k spotrebe paliva). Početné experimentálne štúdie aerodynamických charakteristík hypersonických lietadiel naznačujú, že ich maximálna aerodynamická kvalita v rozsahu hypersonických rýchlostí má konečný limit pri skutočných Reynoldsových číslach (pomer dynamickej sily k trecej sile) K max ≈ 6.

Pretože nie je možné tento ukazovateľ zvýšiť pomocou aerodynamického dizajnu, v súčasnosti sa veľká pozornosť venuje riešeniu problému aktívnej kontroly toku okolo telies pomocou energie a (alebo) silového pôsobenia na dopadajúci prúd v najmä dodávaním tepla do nadzvukového prúdu pred telom. Na technickú implementáciu tejto myšlienky sa navrhuje použiť laserové a mikrovlnné žiarenie.

Vo väčšine týchto teoretických a experimentálnych štúdií sa zvažuje problém zníženia aerodynamického odporu. Tento efekt je spojený hlavne so znížením hustoty plynu v dopadajúcom prúde, čo potvrdzujú výpočty a priame merania. Istú úlohu môžu hrať aj zmeny režimu toku v dôsledku zmeny Machovho čísla alebo Reynoldsovho čísla, ako aj ionizácia toku.

Na príklade hypersonického prúdenia plynu okolo profilového profilu lichobežníkového modelu sa ukázalo, že aerodynamický odpor a vztlakovú silu je možné ovplyvniť vytvorením stupňovitého rozloženia teploty v prichádzajúcom prúdení (čo zodpovedá stupňovitému rozloženiu hustoty plynu). Tento efekt je možné dosiahnuť napríklad opakovaným pulzným ohrevom toku kombináciou laserového a mikrovlnného žiarenia. Súčasne je najvyššia aerodynamická kvalita dosiahnutá v režime hobľovania, keď let prebieha na rozhraní medzi médiom s vysokou a nízkou hustotou.

Funkčné modely

Kontrola jedného alebo druhého spôsobu riadenia prúdenia prichádzajúceho vzduchu sa môže vykonať pomocou takzvanej funkčnej simulácie. V tomto zmysle možno lietadlo - zložitý hierarchický systém - predstaviť ako vzájomne prepojený súbor rôznych subsystémov, ktoré sú určené funkčnými vlastnosťami.

Matematický model lietadla pozostáva z niekoľkých blokov: aerodynamických vlastností, ťahu a špecifického impulzu motora, trajektórie letu, funkčných obmedzení a optimálnej kontroly. Odráža teda funkčné charakteristiky a spojenia prvkov ako celku bez pevného viazania sa na konkrétne realizačné zariadenia.

Pomocou takéhoto modelu je možné vyhodnotiť základnú možnosť dosiahnutia stanoveného cieľa a špecifické vlastnosti (účinnosť, kritické režimy prevádzky atď.). Zmenou základných hodnôt charakteristík jednotlivých prvkov je možné určiť ich vplyv na funkčné vlastnosti systému ako celku a stanoviť veľkosť prípustných porúch - vyvinúť požiadavky na presnosť merania parametrov. .

Zvláštnosťou funkčného modelovania je, že syntéza a analýza objektu sa vykonáva s malým počtom počiatočných informácií. To znamená, po prvé, iteračný charakter konštrukcie matematického modelu, čo znamená neustálu úpravu procesu s prihliadnutím na už získané výsledky. Za druhé, model stanovuje minimálny počet špecifikovaných vstupných parametrov, čo znižuje stupeň neistoty pri určovaní charakteristík lietadla.

Druhá okolnosť stimuluje hľadanie nových, generalizovanejších foriem reprezentácie funkčných vlastností prvkov. Prirodzene, musia zodpovedať mnohým možným špecifickým zariadeniam. Výber a vývoj samotných zariadení je však už ďalšou fázou práce.

Spaľovanie v nadzvukovom prúde

Najdôležitejšou súčasťou elektrárne VKS je rázový motor, ktorého teoretické a experimentálne štúdium bolo predmetom mnohých prác.

Koncept použitia ramjetového motora na let pri nadzvukových rýchlostiach stanovuje, že spaľovanie paliva v kanáli motora by malo prebiehať v nadzvukovom prúdení vzduchu. V takom prípade musí byť množstvo spaľovacieho paliva dostatočné na dosiahnutie požadovaného ťahu. Slávny taliansky fyzik, tvorca prvého veterného tunela A. Ferri, navrhol niekoľko spôsobov vstrekovania paliva do prúdu a popísal možné schémy tokov, ktoré z toho vyplývajú. Neexistujú však žiadne informácie o ich praktickom vykonávaní.

Diagnostika tokov vytvorených počas spaľovania paliva je vo všeobecnosti mimoriadne ťažká kvôli nerovnomernému rozloženiu parametrov toku a nerovnovážnym procesom. Doteraz neexistujú spoľahlivé experimentálne údaje, ktoré by naznačovali, že v kanáli motora sa skutočne udržuje nadzvukový tok, keď je „zahrievaný“ v dôsledku spaľovania paliva, pretože teplota statického plynu by v tomto prípade nemala presiahnuť 2 500 - 2 700 ° K. Toto obmedzenie, ktoré je dôležité pri hypersonickom lete, je spojené s potrebou obmedziť stupeň disociácie produktov spaľovania, pretože tieto vedú k zníženiu výkonu toku plynu a v dôsledku toho k zníženiu ťahu motora.

Na stanovenie charakteristík ramjet existujúcimi metódami je potrebné nastaviť určitý súbor určujúcich hodnôt, ktoré závisia od plynových dynamických a geometrických parametrov motora a sú určené spravidla experimentálne. Preto sú tieto metódy málo použiteľné vo funkčnom modelovaní, keď je potrebné určiť minimálny súbor základných parametrov, ktoré sa počas prevádzky systému relatívne málo (a predvídateľne) menia.

V rámci tohto prístupu bol v ITAM vybudovaný funkčný matematický model elektrárne, ktorý umožňuje získať odhady súčiniteľa ťahu a špecifického impulzu nárazového motora a kombinácie raketových a nárazových motorov. V tomto prípade sa berie do úvahy, že časť energie zo spaľovacích produktov bude použitá na riadenie vonkajšieho toku okolo lietadla.

Vyhodnotenie účinnosti vonkajšej regulácie prietoku zahrievaním vzduchu pred lietadlom ukázalo, že pri plavbe nadzvukovou rýchlosťou sa výrazne zvyšuje takzvaný faktor Breguetovho rozsahu *** - až o tretinu, v závislosti od letu Machovo číslo - zvýšením aerodynamickej kvality.

Porovnanie spotreby paliva na zrýchlenie s ohrevom vzduchu pred VKS a bez zahrievania sa uskutočnilo na optimálnych dráhach letu pri použití kombinovaného motora. Úspora paliva na trajektórii zrýchlenia predstavovala 3% zo vzletovej hmotnosti leteckých lietadiel. To v prvom rade znamená, že je uľahčené riešenie problémov s návrhom. Za druhé, že je možné výrazne zvýšiť užitočné zaťaženie kozmickej lode.

Podľa rôznych odhadov je hmotnosť užitočného zaťaženia vypusteného na obežnú dráhu 3–5% zo štartovacej hmotnosti lietadla - údaje porovnateľné s vypočítanou hodnotou spotreby paliva pri riadení toku lietadla. Je teda zrejmé, že riadenie toku VKS zahrievaním prichádzajúceho toku bude veľmi účinné ako pri plavbe, tak aj pri akcelerácii.

Je potrebná tepelná ochrana

Pri vytváraní leteckého lietadla existuje množstvo konkrétnejších, aj keď nie menej dôležitých problémov, ktoré je potrebné vyriešiť. Jednou z nich je intenzívne aerodynamické zahrievanie, ktorému musí konštrukcia draku dlho odolávať, pretože tepelný tok na povrch lietadla je úmerný rýchlosti letu k tretiemu výkonu. Tento tepelný efekt je skutočnou bariérou, ktorú je potrebné prekonať pri vytváraní hypersonických lietadiel.

Vysoké teploty prakticky vo všetkých oblastiach povrchu lietadla vylučujú možnosť použitia tradičných kovov (hliník, titán, oceľ) na jeho stavbu. Možné metódy povrchovej tepelnej ochrany sú rozdelené na pasívne a aktívne, ako aj na ich kombinácie. K prvým patrí napríklad použitie zničiteľných materiálov, sálavých povlakov, povlakov s nízkou tepelnou difuzivitou, charakterizovaných nízkou rýchlosťou vyrovnávania teploty. Aktívne metódy tepelnej ochrany zaisťujú nútený prívod chladiacej kvapaliny na horúci povrch, ktorý prípadne prenikne do hraničnej vrstvy vonkajšieho prúdu vzduchu.

Metóda tepelnej premeny uhľovodíkového paliva, ktorá môže čiastočne nahradiť kvapalný vodík, sa zdá byť veľmi sľubná. V tomto prípade sa zmes uhľovodíkových palív s vodou privádza kanálmi pod horúcimi povrchmi. Pod vplyvom tepelného toku dochádza k endotermickej reakcii tvorby syntézneho plynu (zmes oxidu uhoľnatého a vodíka), pričom dochádza k absorpcii tepla.

Reakcia je sprevádzaná intenzívnym konvekčným pohybom média, ktoré poskytuje dostatočne veľké hodnoty súčiniteľa prestupu tepla a nízky tepelný odpor medzi médiom a vyhrievanou stenou. V dôsledku toho teplota povrchu klesne. „Bonusom“ v tomto prípade bude zvýšenie energie paliva v dôsledku absorpcie vonkajšieho tepelného toku.

Ďalšou taktickou technikou na tepelnú ochranu videokonferenčných systémov je zmenšenie plochy povrchov, ktoré musia byť chránené pred vysokými teplotami. V spoločnosti ITAM SB RAS bol vyvinutý koncept konvergentného nasávania vzduchu a divergentnej dýzy, ktoré majú v porovnaní s bežnými kompaktnejšie rozmery. Model takéhoto lietadla bol testovaný v pulznom veternom tuneli inštitútu pri M = 7,8 s bežiacim vodíkovým motorom a experimentálne výsledky sa zhodovali s predpovedanými vypočítanými údajmi.

Pri lete nadzvukovou rýchlosťou sa nárazové vlny generované lietadlom dostanú na povrch Zeme. Pokles tlaku v rázovej vlne vytvára takzvaný zvukový tresk. Účinky poklesu tlaku na ušné membrány môžu byť veľmi bolestivé; sila nárazu môže byť taká, že sa dokonca zlomia aj okenné tabule. Znížiť zvukový výložník je možné vďaka špeciálnemu usporiadaniu lietadla, voľbe trajektórie a režimu letu, ako aj aktívnemu vplyvu na štruktúru rázových vĺn v okolí lietadla.

Aj tu prezentovaný stručný prehľad demonštruje bezprecedentnú zložitosť vytvorenia jednostupňového leteckého lietadla. Exponenciálny nárast rýchlosti prieskumu vesmíru v blízkosti Zeme je však silným stimulačným faktorom na urýchlenie prác na jeho tvorbe.

Na vykonanie celého komplexu prác (vedecký výskum, vývoj dizajnu, výroba prototypu, experimentálny vývoj, tvorba prevádzkových štruktúr) sú potrebné obrovské ľudské, materiálne a finančné zdroje. Tento plán bude pravdepodobne možné uskutočniť iba spoločným úsilím mnohých krajín. Cieľ však stojí za to, pretože ďalšie skúmanie vesmíru by malo prispieť k úspešnému a mierovému rozvoju ľudskej civilizácie.

Literatúra

Burdakov V.P., Danilov Yu. I. Externé zdroje a kozmonautika. Moskva: Atomizdat, 1976.

Georgievskii P. Yu., Levin V. A. Riadenie toku okolo rôznych telies pomocou lokálnych dodávok energie do nadzvukového dopadajúceho toku // Izv. RAS. MGH. 2003. č. 5. S. 154-167.

Latypov AF O matematickom modelovaní lietajúcich vozidiel v štádiu vývoja koncepcie // ChMMSS, 1979. V. 10, No. 3. S. 105-110.

Latypov, A.F. a Fomin, V.M., Odhad energetickej účinnosti dodávky tepla pred telom v nadzvukovom prúdení, J. Appl. 2002. T. 43, č. 1. S. 71-75.

Latypov AF Hodnotenie energetickej účinnosti dodávky tepla pred telom počas zrýchleného letu. Časť 1. Matematický model // Tepelná fyzika a aeromechanika, 2008. V. 15, č. 4. S. 573-584. Časť 2. Matematický model zrýchľujúceho sa úseku trajektórie.

Výsledky výpočtu // Tepelná fyzika a aeromechanika, 2009. Zv. 16, č. 1. S. 1-12.

Latypov A. F., Fomin V. M. Spôsob činnosti nadzvukového pulzujúceho rázového motora a nadzvukového pulzujúceho rázového motora // Patent RF č. 2347098, 2009.

Sabelnikov A. V., Penzin V. I. K histórii výskumu v oblasti vysokorýchlostných rázových motorov v Rusku. M.: TsAGI im. prof. N.E. Zhukovsky, 2008.

* Machovo číslo - pomer rýchlosti prúdenia vzduchu k rýchlosti zvuku

** Minimálna rýchlosť potrebná na vynesenie telesa na obežnú dráhu Zeme

*** Faktor rozsahu Breguet Br = VKI, kde V- rýchlosť letu, K- aerodynamická kvalita, Ja- špecifický impulz motora