З атмосфери – у космос. Повітряно-космічний літак – транспорт майбутнього

Центр "Космонавтика та авіація" -найбільший космічний музейний центр у сучасної Росії, що розташувався у стінах історичного павільйону "Космос" на .

Експозиція музею включає велику кількість експонатів, що демонструють здобутки вітчизняної космонавтики: від архівних документів до макетів космічних апаратів, виконаних у натуральну величину. Він створений для популяризації досягнень вітчизняної ракетно-космічної, авіаційної та оборонної промисловостіта реалізований як спільний проект уряду Москви, ВДНГ, держкорпорації "Роскосмос" та низки підприємств військово-промислового комплексу Росії. Своєрідним експонатом став і сам будинок легендарного павільйону, збудований у радянські роки.

Маючи в своєму розпорядженні велику і цікаво подану колекцію, центр "Авіація і космонавтика" на ВДНГ став однією зі знакових космічних точок на карті Москви - і найпотужнішою туристичною пам'яткою.

Експозиція

Масштабна експозиція музею присвячена досягненням вітчизняної космонавтики та перспективним проектамосвоєння космосу. Простір павільйону умовно поділено на 3 частини: "КБ-1. Космічний бульвар" (музейно-виставковий простір), "КБ-2. Конструкторське бюро" (освітньо-науковий простір) та "КБ-3. Космодром майбутнього" (інтерактивно-дозвіловий) простір), завдяки чому експозиція розкривається поетапно, від перших ідей підкорення космосу до найсучасніших напрацювань.

Ознайомлення з експонатами можливе як в індивідуальному порядку, так і з екскурсією.

У "КБ-1" можна побачити натурні експонати та повнорозмірні макети космічних кораблівта апаратів, які демонструють реалізовані проекти 20 століття та досягнуті вітчизняною космонавтикою успіхи. В експозиції представлено понад 120 унікальних зразків літальної та космічної техніки, які раніше не виставлялися для огляду в музейному просторі, а також велика кількість архівних документів, фото- та відеоматеріали. Найбільш масштабним експонатом став макет орбітальної станції "Мир", виконаний у натуральну величину (1:1, вага макета - понад 30 тонн) і включає 4 модулі ("Мир", "Квант-1", "Квант-2" та "Кристал" "). Тут також можна побачити макети супутників "Супутник-1" (1:1) та "Промінь-5А" (1:1), планетохода "Луноход-1" та станції "Луна-17" (1:1), орбітальний літак МАКС , ракетоплан БОР-4, рідинний ракетний двигун РД-170, компактні макети космодромів та ракет, а також різні деталі космічних апаратів. Експозиція інтерактивна: відвідувачі музею можуть не лише переглянути фото та відео, а й пограти у тематичні ігри на розставлених по залі дисплеях.

"КБ-2" - освітній простір, де розміщені дитячий освітній та молодіжний експериментальний центри, а також розділи "Космічна промисловість та інфраструктура", "Дослідження Землі з космосу", "Дослідження планет Сонячна системаТут відвідувачі музею можуть отримати уявлення про те, які завдання та проекти є пріоритетами сучасної космічної галузі.

"КБ-3" - інтерактивний простір, зона віртуальної реальності, що представляє відвідувачам образ космічної цивілізації та перспективи космонавтики у віддаленому майбутньому. Центром простору став дворівневий експозиційний модуль "Моноліт", навколо і всередині якого розмістилися інтерактивні експонати та активності: ігрові симулятори, робот, що говорить, і 5D-кінотеатр "Космічна сфера", де можна спостерігати запуск ракети або вид Землі з космосу.

Особливість експозиції - в її інтерактивності: по всьому павільйону розставлені дисплеї з тематичними відео- та аудіозаписами, наочними схемами пристрою космічних апаратів, різними іграми, що підходять для дітей та дорослих.

Павільйон "Космос"

Павільйон № 32-34 "Космос" ("Космос / Машинобудування") - один з легендарних павільйонів ВДНГ, який тривалий час перебував у запустінні.

Будівля була збудована у 1939 році за проектом архітекторів Івана Таранова, Віктора Андрєєва та Надії Бикової - спочатку павільйон носив назву "Механізація" і був присвячений сільськогосподарській техніці. Пізніше його експозиція розширилася, і він став носити ім'я "Механізація та електрифікація" сільського господарства"; 1954 року павільйон реконструювали, і він придбав сучасний вигляд. У 1960-х експозицію повністю змінили, і в період з 1967 по 1991 рік у павільйоні розміщувалася постійна виставка, присвячена освоєнню космосу - саме в такому вигляді павільйон "Космос" і запам'ятався москвичам. Однак, у 1990-х роках він, як і багато інших павільйонів ВДНГ, перетворився на торговий майданчик. Тут стали продавати саджанці та товари для садівників, колекції та оздоблення при цьому були частково втрачені.

Запустіння "Космосу" тривало до 2015 року, коли павільйон звільнили від орендарів, а 2016 року почалося його відновлення. Павільйон не просто відремонтували та пристосували під сучасне використання, Але й дбайливо відновили втрачені декоративні деталі та відреставрували збережені. Водночас фахівці опрацьовували концепцію майбутнього музею.

13 квітня 2018 року в оновленому павільйоні "Космос" відкрився центр "Авіація та космонавтика", та легендарний павільйон після довгих роківзапустіння знову став однією з найпотужніших пам'яток Москви.

Зараз павільйон "Космос" - не просто будівля, а визначна пам'ятка радянської архітектури, яка сама по собі виступає в ролі цінного експонату. Відвідувачі центру "Авіація та космонавтика" мають можливість побачити його не лише зовні, а й усередині: подивитися на смальтове панно на тему електрифікації СРСР, герби союзних республік та величезну кремлівську зірку під куполом.

Режим роботи, як дістатися

Центр "Космонавтика та авіація" у павільйоні "Космос" відкрито для відвідування щодня, крім понеділка. Найкраще відвідувати його у будні, коли в павільйоні менше відвідувачів.

Години роботи:з 11:00 до 22:00. Відвідування організовано за сеансами:

11:00 - 13:00;

13:00 - 15:00;

15:00 - 17:00;

17:00 - 19:00;

19:00 – 21:00 (вхід на останній сеанс можливий лише до 21:00, з цього часу і до 22:00 центр працює лише на вихід).

Вартість відвідування: 500 рублів - повний, 250 рублів - пільговий, окремих пільгових категорій передбачено безкоштовне відвідування.

Офіційний сайт центру "Космонавтика та авіація": cosmos.vdnh.ru - на ньому можна уточнити графік роботи та ціни квитків у конкретний обраний день, а також купити квитки онлайн або замовити екскурсію.

Павільйон "Космос"знаходиться на площі Промисловості ВДНГ за адресою вул. "ВДНГ"Калузько-Ризька лінія.

Це сьогодні нікого не здивуєш «Шаттламі». Але мало хто знає, що перші «космічні літаки» було створено майже сорок років тому. Комплексні дослідження можливостей створення орбітального літального апарату, здатного стартувати і здійснювати посадку як звичайний літак, розпочато ще 1965 року.

Міг-105-11 / Фото: www.flickr.com

У них взяли участь Корольов та Туполєв, а сам космоплан планувалося побудувати силами КБ МіГ. Офіційно старт проекту було дано 26 червня 1966 року. Одночасно приступили до формування особливої ​​групи космонавтів, які мали піднімати космолети в повітря. Через десять років – у жовтні 1976 року – новий літальний апарат, який отримав назву «ЕПОС» (Експериментальний Пасажирський Орбітальний Літак) вперше піднявся у повітря.

Щоправда, злетів він невисоко – лише на 560 метрів і так, «низенько-низенько», перелетів на 19 кілометрів – на аеродром випробувального центру ім. Жуковського.

Роком пізніше, 27 листопада 1977 року, Міг-105-11 (так тепер став називатися "ЕПОС") здійснив перший "повітряний" старт - на висоту 5000 метрів космоплан було піднято за допомогою Ту-95К. Після успішного польоту Міг-105 у рамках експерименту здійснив посадку на земляній злітно-посадковій смузі (без спеціального покриття).

Восьмий політ космоплану (у вересні 1978 року) виявився останнім: під час посадки сталася аварія, апарат зазнав тяжких ушкоджень і був списаний. Оскільки на той час керівництвом країни було ухвалено рішення про створення більш важких, багатомісних космічних кораблів багаторазового використання (майбутніх «Буранів»), Міг-105-11 не пішов у серійне виготовлення.

Проект був закритий, проте прототип був загалом визнаний дуже вдалим, тому багато його конструктивних і технологічних рішень згодом використовувалися при розробці наступного покоління «космічних човників».

Міг-105-11 мав характерний силует / Фото: www.buran.ru

Міг-105-11 на випробуваннях / Фото: www.buran.ru

При переході ж на дозвукову швидкість, крила встановлювалися у звичайне горизонтальне положення, сприяючи збільшенню підйомної сили. Управління апаратом здійснювалося за допомогою вертикального керма, елеронів на кінцях «крил», що махають, і повітряних дюз, розташованих у верхній частині фюзеляжу, ближче до хвоста.

Міг-105-11 на відкритій стоянці / Фото: www.buran.ru

Міг-105-11 на стоянці у Моніно / Фото: www.buran.ru

У вигляді стартового двигуна МІГ-105-11 передбачалося використовувати ракети типу «Схід». Власна ж рухова система космоплана складалася з турбореактивного двигуна РД-36-35-К, вагою 2,3 тонни. Запас палива для нього складав 500 кг, що забезпечувало 10 хвилин польоту на максимальній тязі.

Зазвичай цей двигун використовувався при старті з коліс, у тому числі з польових злітно-посадкових смуг (без спеціального покриття).

Конструктивно-технологічне членування планера літака-аналогу "105.11" / Фото: www.buran.ru

На фото цифрами позначено:

1. носова частина фюзеляжу
2. ліва передня стійка шасі
3. права передня стійка шасі
4. щитки шасі
5. хвостова частина фюзеляжу
6. права консоль крила
7. ліва консоль крила
8. обтічники консолей крила
9. кіль з кермом напрямку
10. задня права стійка шасі
11. задня ліва стійка шасі
12. теплозахисний екран
13. розкоси стику головний
14. хвостовий частин фюзеляжу

Орбітальний двигун складався з основного (з тягою 1500 кгс) та двох допоміжних (по 40 кгс). Крім них Міг-105-11 володів шістьма двигунами для здійснення курсових поправок (по 16 кгс) і десятьма двигунами для маневрування (по 1 кгс.). Паливні баки для цих двигунів були розташовані у центральній частині літака.

Достойно захоплення, що стільки складної та розумної техніки вдалося «упакувати» у досить скромний за розмірами корпус – довжиною 8,5 та максимальною шириною 2,8 метра. Поки що розкрито далеко не всі таємниці проекту, здійсненого майже сорок років тому.

Так, наприклад, незважаючи на свою «пасажирську» абревіатуру (ЕПОС), відомо, що Міг-105-11 розглядався як прототип космічного винищувача. Яка зброя мала нести і кого атакувати – літаки та штучні супутникисупротивника чи, можливо, його наземні об'єкти – поки що залишається загадкою…

Схема МіГ-105-11 / Фото: www.buran.ru

Льотчик-космонавт СРСР, двічі Герой Радянського Союзу, кандидат технічних наук, генерал-майор авіації В. Шаталов

Схема освоєння приземного повітряного та космічного простору.

Коридор можливих висот та швидкостей польоту крилатих літальних апаратів.

Експериментальні літаки Національного управління з аеронавтики та дослідження космічного простору США для вивчення проблем, пов'язаних із освоєнням гіперзвукових швидкостей польоту та створенням багаторазового космічного транспортного корабля.

Літак-носій B-52, під фюзеляжем якого підвішено експериментальний літак Х-15.

Схема польоту сучасного винищувача нагадує схему польоту багаторазового космічного транспортного корабля, що розробляється.

Зліт винищувача з пороховими прискорювачами.

Винищувачі, забезпечені фюзеляжним додатковим паливним баком.

Наука та життя // Ілюстрації

Наука та життя // Ілюстрації

Наука та життя // Ілюстрації

Коли летиш на сучасному надзвуковому винищувачі, забираєшся на саму «стелю», на граничну висоту, здається, що зовсім небагато бракує машині, щоб вирватися з пут земного тяжіння і вийти на орбіту. А коли повертаєшся з космічного польоту і корабель входить у щільні спої атмосфери, мимоволі думаєш про те, як було б добре, якби він мав якості літака: можна було б виконати необхідний маневр і здійснити звичну посадку на аеродром.

На жаль, поки що ні літак, ні космічний корабель не мають таких якостей. Але я глибоко переконаний, що справа ця тимчасова.

Авіація підготувала наукові та технічні заділив галузі силових установок, конструкції апаратів, бортових систем, приладів та обладнання, які стали базою для створення ракеткою техніки, для народження космонавтики. І хоча космічні кораблі поки мало схожі на літак, а їхній політ мало нагадує політ літаків, проте в їх конструкції та оснащенні є багато від крилатих машин.

Авіацію по праву називають колискою космонавтики: тільки опанувавши польот на великих швидкостях і висотах, навчившись створювати досконалі конструкції літальних апаратів і потужні реактивні двигуни, людство змогло зробити штурм космосу. Багато вчених, конструкторів, що беруть участь у дослідженні та освоєнні космічного простору, були тісно пов'язані з авіацією. Невипадково й те, що першими підкорювачами космосу стали льотчики.

У той же час багато проблем, які вирішуються при створенні ракетно-космічної техніки, і багато результатів досліджень, отримані в космічних польотах, мають важливе значення для подальшого розвиткуавіації. Це теплозахист конструкції, терморегулювання, біологічний захист від космічного випромінювання та багато іншого.

Спостерігаючи прогрес авіаційної та космічної техніки, ми маємо право поставити собі таке запитання: чи надалі відбуватиметься зближення цих областей, чи їхній розвиток піде різними шляхами? Є серйозні підстави вважати, що в майбутньому відбудеться помітне зближення авіації та космонавтики.

Подальший прогрес авіації пов'язують переважно з двома напрямами; зі створенням аеробусів - великих літаків, здатних перевозити по кілька сотень пасажирів, і з переходом до ще більших швидкостей польоту.

В останні роки дуже швидко зростають пасажирські перевезення. повітряних лініях, що пов'язують великі містаз місцями масового туризму; з курортами. А оскільки значна частина перевезень зараз припадає на літаки невеликої та середньої місткості, деякі аеропорти працюють дуже напружено.

Вихід із становища авіаційні конструктори бачать у створенні аеробусів - великих літаків обслуговування ліній невеликий і середньої протяжности. Це будуть представники третього покоління реактивних лайнерів пасажирів. Велике комерційне навантаження, висока крейсерська швидкість, низька витрата палива на кілометр шляху, невеликі витратина технічне обслуговування, великий ресурс літака, двигунів і всіх агрегатів - такі мають бути переваги аеробусів.

У Радянському Союзі конструкторським бюро Сергія Володимировича Іллюшина розробляється аеробус Іл-86. Він зможе перевозити 350 пасажирів із швидкістю 950 кілометрів на годину на дальність до 4 600 кілометрів.

Кордон швидкості польотів у межах Землі відома - її вже досягли балістичні ракети та штучні супутники Землі. Це перша космічна швидкість – 7,9 км/сек. До неї авіації поки що далеко - світові досягнення швидкості літаків знаходяться десь в районі 3-4 тисячі кілометрів на годину, тобто 1 км/сек.

Що ж варте на шляху досягнення авіацією великих швидкостей польоту?

Своїм виникненням та розвитком авіація зобов'язана повітряній оболонціпланети. Повітря створює опору літаку, що летить, дозволяє маневрувати в просторі, він же використовується для «дихання» двигунів. Але одночасно повітря створює і аеродинамічний опір, на подолання якого витрачається значна потужність двигунів, причому зі збільшенням швидкості цей опір різко зростає. Крім того, повітря ставить на шляху до великих швидкостей польоту низку порогових перешкод, бар'єрів. Це добре відомий тепер звуковий бар'єр. Його вже здолала не лише військова, а й цивільна авіація. Однак це далося нелегко і не відразу. Це також тепловий бар'єр - неприпустиме нагрівання літаків при польоті на швидкостях, що в три і більше разів перевищують швидкість звуку. До цього бар'єру кілька років тому впритул підійшла військова авіація. Експериментальні літаки роблять вилазки його межі. Але поки що це лише проба сил.

Принагідно хочеться відзначити, що сама назва бар'єр для авіації не зовсім вдало. Це не бар'єри у звичайному розумінні слова – подолав, а далі знову легка дорога. Це швидше за кордон, на якому авіація зустрічається з новими серйозними труднощами, причому, з'явившись одного разу, вони вже не зникають, а вимагають до себе постійної уваги.

Літак, перевищивши швидкість звуку, подолавши звуковий бар'єр, весь час хіба що несе його у вигляді ударної хвилі і стає своєрідним джерелом безперервного, нескінченно розтягнутого вибуху. Таке саме становище з тепловим бар'єром.

З розвитком авіації конструкторам доводиться вирішувати дедалі складніші завдання.

Якщо, наприклад, для невеликих швидкостей польоті в атмосфері аеродинамічні розрахунки проводяться незалежно від теплових, то при польотах на надзвукових швидкостях в аеродинамічних розрахунках доводиться вже враховувати теплообмін, вирішувати питання теплового захисту апарату, тобто вирішувати типове завдання теорії тепломасообміну.

Сучасні лайнери літають зазвичай на висоті 8-10 кілометрів зі швидкістю близько 900 кілометрів на годину. У цих умовах аеродинамічний нагрів незначний, і його до уваги не беруть. Якщо літак летітиме на цій висоті зі швидкістю в 3 тисячі кілометрів на годину, то, як показують найпростіші розрахунки, температура загальмованого повітряного потоку - шарів повітря, що омивають поверхню літака, - складе плюс 280 градусів Цельсія. На гіперзвукових швидкостях (що перевищують швидкість звуку у п'ять і більше разів) вона перевищить тисячу градусів. При швидкості 10 тисяч кілометрів температура досягне вже 3600 градусів,

Зі важкими завданнями теплозахисту вже зіткнулися творці космічної техніки. Було розроблено так звані абляційні покриття, теплозахисні властивості яких ґрунтуються на переході матеріалу з твердого стану в газоподібний, минаючи рідку фазу. Абляційні покриття захищають апарат космічного корабля, що спускається, гальмується при спуску в атмосфері Землі, від теплових потоків, що досягають 6-8 тисяч градусів. Але дія таких покриттів пов'язана з укосом маси, а отже, зі зміною форми покриття, що абсолютно небажано для апаратів, що використовують у польоті підйомну силу крил і корпусу, з аеродинамічних органів управління.

Але навіть якби вдалося створити надійний тепловий захист, піт з гіперзвуковими швидкостями на освоєних висотах був би невигідний з економічних міркувань - витрата енергії на подолання аеродинамічного опору повітря була б занадто великою.

Ось чому літати з великими швидкостями можна лише у розрідженій атмосфері. Тут і завдання теплозахисту апарату можна вирішити доступними засобами. Іншими словами, треба підніматися в область не освоєних ще висот, в область верхньої атмосфери, що лежить між висотами 30 та 150 кілометрів. Літаки не можуть тут літати внаслідок недостатньої підйомної сили крил та тяги повітряно-реактивного двигуна, а орбітальний політ космічного корабля на таких висотах неможливий через велике аеродинамічне гальмування. Ця область розрідженої атмосфери поки що розділяє авіацію та космонавтику, не дає встановити між ними тіснішу взаємодію.

А чи потрібна така взаємодія? Так потрібно. У навколоземному космічному просторі без нього навряд можна буде обійтися. З подальшим розширенням діяльності людини у цьому районі все обслуговування між Землею та навколоземними орбітами, очевидно, доведеться взяти на себе апаратам літакового типу.

Чи є якісь дані про те, що авіація та космонавтика прагнуть освоїти простір верхньої атмосфери?

Є... І вже багато.

Зокрема, експериментальні пілотовані літаки з ракетними рідинними двигунами, що запускаються в США з літаків-носіїв, досягали висоти понад 80 кілометрів та швидкості польоту близько 6 тисяч кілометрів на годину. Після відокремлення від носіїв літаки розганялися і виходили на балістичну траєкторію. Для керування поза межами щільної атмосфери на них використовувалися не аеродинамічні, а струменеві керма. Проте обмежений запас палива дозволяв літакам виконувати лише своєрідний підстриб угору, після чого вони планували та робили посадку.

У польотах експериментальних ракетних літаків вченим та конструкторам вдалося отримати відповіді на багато питань. Зокрема, чимало нового дізналися вони про аеродинаміку та стійкість апаратів, що літають на гіперзвукових швидкостях, про вплив аеродинамічного нагріву на їх конструкцію та на працездатність систем, про особливості входу в щільні шари атмосфери на великих швидкостях з використанням підйомної сили.

Авіація підбирається до області незасвоєних висот знизу, космонавтика – зверху.

Як відомо, зниження кораблів «Схід» та «Схід» відбувалося за балістичною траєкторією. Розсіювання (простіше кажучи, показник неточності потрапляння в розрахункову точку приземлення) і навантаження за такого спуску були досить значними, бо апарат повністю віддавався у владу стихії - керувати їм було неможливо.

Менші перевантаження при зниженні і значно більшу точність приземлення можна було отримати лише за керованого спуску, тобто за такого спуску, як у атмосфері відбувається управління траєкторією спуску корабля. Саме так відбувається спуск "Союзів". Щоправда, цей спосіб зниження з орбіти вимагає подолання низки технічних труднощів. По-перше, потрібно було надати апарату, що спускається, форму, що забезпечує йому аеродинамічна якість. (Ця характеристика, що прийшла з авіації, є відношення підйомної сипи апарату до величини його лобового опору.) Крім того, потрібно було створити систему, яка управляє кораблем як на позаатмосферному, так і на атмосферному ділянках польоту, і вирішити низку інших завдань. Зате керований спуск дозволив знизити навантаження в 2-3 рази (з 8-10 до 3-4 одиниць) і значно зменшити розсіювання точки приземлення.

Від керованого спуску космічного корабля до керованого польоту у верхній атмосфері дистанція ще, звісно, ​​величезного розміру. Проте можна вважати, що певний крок у цьому напрямі було зроблено і космонавтикою.

В останні роки радянські вчені провели ряд інших експериментів, що мають важливе значення для надвисокої та надшвидкісної авіації майбутнього. Я маю на увазі експерименти на автоматичних іоносферних лабораторіях «Янтар».

На борту цих лабораторій, що запускалися геофізичними ракетами, встановлювалися електрореактивні двигуни. Випробування показали досить стійку роботу цих двигунів на різних висотах та в різних режимах. Примітно, що на борту не було ні пального, ні окислювача. Робочим тілом служив азот атмосфери, щоправда, попередньо іонізований. Таким чином, була доведена реальна можливість застосування електричних реактивних двигунівдля транспортних засобів, що здійснюють політ у верхній атмосфері

Процес взаємопроникнення авіації та космонавтики розпочався вже давно, а в Останнім часомйде особливо активно. Якщо років десять тому важко було говорити про апарати, що поєднують якості космічного корабля і літака, то тепер становище змінилося. Зовнішність таких апаратів постає досить чітко. І не тільки тому, що проведено багато фундаментальних досліджень. Головне - конкретніше, визначнішими стали цілі їх створення.

Майбутнє космонавтики значною мірою пов'язане із довготривалими орбітальними станціями та лабораторіями різного призначення. Радянська наука розглядає їх створення як магістральний шлях людини до космосу.

Досвід створення та експлуатації орбітальних станцій радянської «Салют» та американської «Скайлеб» показав, що сучасній космонавтиці таке завдання вже під силу.

Але самі станції є лише частиною космічної системи. Для їх експлуатації - зміни екіпажів, доставки запасів продовольства, палива для двигунів та інших матеріалів - потрібні транспортні кораблі, які здійснювали б регулярні рейси трасою Земля - ​​орбіта - Земля.

Ця ланка системи виявилася поки що найслабшою. Сучасні ракетно-космічні транспортні засоби порівняно дорогі, недостатньо вантажопідйомні, потребують тривалого часу для підготовки до старту. Усі космічні апарати (пілотовані та безпілотні) виводяться зараз у космос за допомогою одноразових ракет-носіїв. Складні космічні кораблі також призначаються лише одного польоту.

Хіба можна примиритися, наприклад, для того, щоб великий океанський лайнер, що будується кілька років, призначався для одного-єдиного рейсу? А в космонавтиці саме так і йдеться.

Візьмемо, наприклад, американську ракету-носій "Сатурн-5", яка забезпечувала польоти кораблів "Аполлон" до Місяця. Цей велетень висотою понад 100 метрів і вагою майже 3 тисячі тонн фактично припиняв своє існування за кілька хвилин після старту. Адже кожна така ракета коштує 280 мільйонів доларів. Через 10-12 днів від усієї складної системи «Сатурн» - «Аполлон» залишалася лише невелика обгоріла в атмосфері і практично непридатна для подальшої експлуатації капсула, що спускається, в якій екіпаж повертався на Землю. Переможна дорога космонавтики усіяна згорілими уламками ракет, блоків космічних кораблів та кинутими на орбітах супутниками.

Така «одноразовість» техніки перетворюється на серйозне гальмо подальшого розвитку космонавтики та космічних досліджень. Спочатку, коли запусків було не так багато, а дослідження не косили настільки великого масштабу, з цим можна було миритися. Надалі подібне марнотратство стане неможливим.

Вихід із становища фахівці бачать у створенні принципово нових космічних транспортних кораблів. Існує багато різних проектів, але всі такі кораблі за задумом конструкторів повинні «вміти» літати в атмосфері, виходити на навколоземну орбіту, перебувати на ній досить тривалий час, а потім здійснювати посадку літаком, на свій аеродром. І, що особливо важливо, зберігати якомога більше елементів системи повторного використання.

Щоб задовольняти ці вимоги, нові космічні кораблі повинні істотно відрізнятися від нинішніх. У всякому разі, їх орбітальні щаблі повинні мати багато з того, що є у сучасного літака.

У пошуках схеми нового космічного транспортного корабля науково-технічна думка пройшла довгий і складний шлях. Ідеальною схемою корабля, що відповідає найсуворішим вимогам, зараз вважається двоступінчаста схема з паралельним розташуванням щаблів. Обидва щаблі, що повертаються, пілотуються, забезпечені крилом; як і літак, вони стартують з аеродрому та сідають на аеродром. Такий корабель можна у вигляді двох літаків: унизу великий - літак-розгінник, але в ньому менший. Великий злітає з аеродрому, і після того, як досягнуто розрахункова швидкість, менший відокремлюється від нього і за допомогою своїх двигунів виходить на орбіту. Літак-розгінник тим часом повертається на аеродром. Виконавши завдання, орбітальний літак сходить з орбіти і робить посадку на аеродром.

Горизонтальний, або літаковий, старт краще для багаторазового космічного корабля, хоча при ракетному старті виводиться велике корисне навантаження. Горизонтальний старт дозволяє виконувати бічний маневр при виведенні корабля і запускати другий ступінь практично в будь-який час без обмеження по азимуту. А це означає, що транспортна система з горизонтальним стартом більш маневрена.

Проте реалізація такого проекту сьогодні ще надто складна. Він випереджає час, включає ще багато невирішених проблем.

Найбільш прийнятним поки вважається проект транспортного корабля, у якого перший ступінь - непілотований, частково відновлюваний для повторного використання, а другий ступінь - пілотований, літакового типу. Відхід від «ідеальної» схеми означає насамперед повернення вертикальному ракетному старту, втрату у польоті деяких елементів системи. Зверніть увагу: втрату не всієї ракети-носія і не всього корабля, як зараз, а лише деяких елементів.

У США розробляється космічний транспортний корабель під назвою «Шаттл» («Човник»). Він має двоступінчасту схему з паралельним розташуванням ступенів, обидві ступені повертаються; рухові установки щаблів включаються одночасно. Перший ступінь складається з двох ракет, що рятуються (тобто повертаються на Землю і придатних для повторного використання), непілотованих ракетних блоків з двигунами, що працюють на твердому паливі. Другий ступінь крилатий, пілотований, оснащений воднево-кисневими ЖРД і скидається перед виходом на орбіту паливним баком. У цій схемі використовуються переваги ракетної техніки, зокрема, застосовується високоенергетичне паливо та вертикальний старт. Єдина частина системи, яка втрачатиметься у польоті, - паливний бак другого ступеня.

Вся ця система чимось нагадує винищувач, з підфюзеляжним додатковим паливним баком і двома пороховими прискорювачами. Зліт такого літака неодноразово демонструвався на повітряних парадах. Тільки на відміну від нього космічний транспортний корабель матиме паливний бак величезних розмірів, що перевищує за розмірами та вагою сам корабель майже вдвічі. А замість компактних порохових прискорювачів - два великі твердопаливні ракетні блоки, що рятуються.

Наголошуючи на недоліках існуючих пілотованих космічних кораблів, ми назвали два: одноразовість і недостатню вантажопідйомність. Насправді недоліків набагато більше, зокрема, нинішні кораблі мало маневрені, виконують тільки парашутну поїздку, для пошуку та евакуації їх апаратів, що спускаються, потрібна спеціальна служба. Поки всі вони здійснюють політ «жорсткими» орбітами, не роблять маневру площиною орбіти, оскільки такий маневр пов'язаний з величезною витратою палива. Внаслідок цього кораблі не можуть спускатися в заданий район, якщо через нього не проходить ще один виток.

Створення апарату, що має великі маневрені можливості на орбіті, помітно розширило б перспективи всієї навколоземної космонавтики. Можна було б вже не запускати, а просто доставляти супутники не орбіти у вантажному відсіку корабля, обслуговувати і ремонтувати їх у космосі, повертати на Землю матеріали досліджень і спостережень, виконані супутниками, і навіть самі супутники у разі їх виходу з ладу. Не довелося б вирішувати складні проблеми, пов'язані, зокрема, з відділенням носових обтічників, розкриттям антен, панелей сонячних батарей. На орбіті перед відділенням супутника корабля можна перевірити роботу його апаратури. Значно знизилися б витрати на розробку апаратів, що виводяться на орбіту, оскільки менш жорсткими виявилися б обмеження їх ваги і габаритів. Крім того, можна було б обходитися без складних заходів захисту від дії великих перевантажень, вібрації, шумів.

За допомогою маневруючих пілотованих апаратів може бути організована ефективна службадопомоги у космосі.

Нині рятувальний корабель може зблизитися з кораблем, який зазнає лиха, лише в тому випадку, якщо він запущений у той момент, коли орбіта корабля, який зазнає лиха, проходить над місцем старту. А повторюється це лише раз на день.

Тепер уявімо, що необхідно терміново евакуювати екіпаж орбітальної станції і що в космосі вже знаходиться придатний для цього корабель, але кут нахилу його орбіти щодо площини земного екватора не такий, як у орбіти станції. Зараз у подібній ситуації для зближення корабля та станції нічого вдіяти не можна. А ось транспортний корабель, що володіє аеродинамічною якістю, може виконати потрібний маневр. Для цього йому доведеться поринути в атмосферу, зробити необхідні еволюції, а потім знову вийти на орбіту. Шляхом багаторазового занурення у повітря можна істотно змінити площину орбіти космічного апарату. Звичайно, це також потребує витрати палива, але значно меншого, ніж маневрування на орбіті, бо у здійсненні маневру такому кораблю допомагає атмосфера.

Коли у світлі нових вимог, що висуваються до космічного польоту, починаєш думати: що ж треба вдосконалювати - сучасний космічний корабель або сучасний літак, то неминуче приходиш до висновку, що шлях до нового корабля від авіації, мабуть, ближче, ніж від космонавтики. Орбітальний ступінь цього корабля повинен мати все, що має літак: фюзеляж досить великої довжини, крила, систему для заходу на посадку, шасі, аеродинамічні органи управління.

Але розробка такого корабля (його з повною підставою можна назвати повітряно-космічним літаком) – завдання не просте. Ряд наукових і технічних проблем, вирішених раніше стосовно потреб космонавтики, доводиться вирішувати заново. Візьмемо хоча б теплозахист орбітального ступеня при вході в щільні спої атмосфери. Виникає необхідність у розробці нових методів теплозахисту та нових теплозахисних матеріалів.

На відміну від апарата космічного корабля, що спускається, орбітальний ступінь повітряно-космічного літака повинна розсіювати значну частину кінетичної енергії не в щільній атмосфері, а на великих висотах, внаслідок чого її нагрівання визначатиметься насамперед кутом входу в атмосферу. Полегшити тепловий режим орбітального ступеня при вході в щільні шари атмосфери може спускати її на великих кутах атаки. Тоді безпосередньому впливу потоку, що набігає, будуть піддаватися тільки нижні поверхні щаблі, площа яких становить приблизно одну третину від усієї поверхні. Тобто більша частина поверхні орбітальної системи не вимагатиме складного теплозахисту. І найголовніше - не буде областей з дуже великими температурами, що спостерігається за малих кутів атаки.

Тривалість польоту на атмосферній ділянці зниження нового космічного апарату може зрости з десяти хвилин, так справа зараз, до години і більше. У цих умовах температура більшої частини, якщо не всієї конструкції апарату, буде близькою до рівноважної температури випромінювання, що дозволить не застосовувати для теплозахисту абляційні матеріали.

Однак проектування конструкції, що охолоджується випромінюванням, вимагає точного знання місцевих теплових потоків по всій поверхні. Вибір матеріалів повинен бути зроблений без помилок, які припустимі при більш товстому теплозахисному покритті з абляційного матеріалу. Оскільки теплові потоки пов'язані з розподілом тиску, вибір геометричної форми апарату набуває великого значення.

При дослідженні різних форм космічних літаків особлива увага приділяється їх маневреності на гіперзвуковій швидкості та величині аеродинамічної якості. Чим більшою аеродинамічною якістю володітиме такий літак, тим менше йому доведеться чекати моменту сходу з орбіти для повернення в заданий район земної кулі. При достатньо великому значенніАеродинамічні якості апарат може досягти будь-якої точки на земній поверхні, спускаючись з орбіти в будь-який момент.

У техніки вже є досвід створення універсальних транспортних засобів, таких, скажімо, як автомобілі, що плавають і літають, або літаки-амфібії. У більшості випадків у них механічно об'єднані та самостійно діють різні машини. Автомобіль, що плаває, наприклад, і досі має все необхідне для руху по суші плюс водонепроникний корпус, гвинт або водометний рушій. Літак-амфібія – це човен або катамаран плюс літак.

Політ у двох настільки відмінних один від одного середовищах, як атмосфера і космічний вакуум, вимагатиме оснащення нового апарату як аеродинамічними, так і газореактивними органами управління. Перші (кіль, кермо повороту, елевони) будуть призначатися для польоту в щільних шарах атмосфери, другі (групи реактивних двигунів або газових сопел) - для польоту в космосі та у верхній атмосфері розрідженої. Таке поєднання вважається в техніці вимушеним, небажаним, але неминучим,

У принципі новий апарат можна було б забезпечити лише газореактивними органами управління - реактивна тяга універсальна для обох середовищ, але в цьому випадку довелося б відмовитися від багатьох переваг, які дає атмосфера, мати значно більший запаспалива чи газу, причому носити цей запас остаточно польоту.

Бічний маневр та маневр за дальністю (наприклад, при виборі точки приземлення) космічний літак виконуватиме за рахунок аеродинамічних сил, змінюючи свій кут крену та кут атаки. Величина бічної дальності (максимальне відхилення праворуч і ліворуч) залежить від аеродинамічної якості орбітальної щаблі: чим вона вища, тим більша бічна дальність. Щоб отримати, наприклад, бічну дальність ±2 000 км, орбітальний ступінь повинен мати аеродинамічний якість на спуску близько 1,3.

Даремно стали б ми розглядати всі проблеми, пов'язані зі створенням космічного апарату нового типу – їх дуже багато. Це стійкість та керованість апарату, особливо при вході в атмосферу та при посадці, це рухові установки для обох ступенів, заправка та зберігання палива. Для нового космічного апарату знадобляться малогабаритні джерела електроенергії – на ньому нема де встановити панелі сонячних батарей. Не обійтися без удосконалення командно-вимірювального комплексу, розробки нових систем порятунку космонавтів на всіх етапах польоту без вирішення багатьох питань експлуатації. Однак вирішення всіх цих проблем під силу сучасній науціта техніку. Створення космічного літака – цілком реальна справа, і, очевидно, недалекий час, коли ми станемо свідками першого польоту.

Від тісної співдружності авіації та космонавтики, цих передових галузей науки та техніки, виграє не лише космонавтика. Не менш вражаючими можуть стати у недалекому майбутньому досягнення авіації. Освоєння надзвукових швидкостей та великих висот дасть поштовх розвитку гіперзвукових літаківяк транспортного засобу. Літаки, які прийдуть на зміну сучасним надзвуковим лайнерам, зможуть за кілька годин доставляти людей та вантажі до будь-якої точки земної кулі.

З атмосфери – у космос. Повітряно-космічний літак – транспорт майбутнього

Інтенсивне освоєння навколоземного космічного простору вже найближчим часом призведе до різкого зростання орбітальних вантажопотоків. Принципово нові космічні транспортні системи можуть бути створені на основі повітряно-космічних літаків (ВКС) із комбінованою силовою установкою. На початковому етапі розгону ВКС використовує створення підйомної сили повітря, а окислення палива – атмосферний кисень, як звичайний літак. Це дозволяє значно зменшити витрати палива та стартову масу порівняно із звичайними ракетними системами.

Тривалість польоту із надзвуковими швидкостями пред'являє такому літальному апарату особливі вимоги, оскільки він піддається потужним тепловим та силовим впливом атмосфери. Одне з рішень щодо зменшення аеродинамічного опору - активне управління обтіканням літака за допомогою підведення тепла в надзвуковий потік, що набігає, за допомогою лазерного або НВЧ-випромінювання

Перспективи використання навколоземного космічного простору величезні. Системи зв'язку та навігації, моніторинг довкілля, розвідка корисних копалин, управління кліматом, виробництво нових матеріалів та багато іншого. Вся ця діяльність вимагатиме створення та експлуатації космічних станцій багатофункціонального призначення, а отже – доставки на навколоземну орбіту великої кількості вантажів. Дедалі актуальнішим стає завдання повернення з космосу аварійних і відпрацьованих конструкцій, оскільки його «засмічення» загрожує серйозними ускладненнями. Звідси – необхідність створення принципово нових космічних кораблів, які вже в недалекому майбутньому зможуть впоратися зі зрослими транспортними потоками.

Ракетні системи, які існують сьогодні, не в змозі забезпечити переміщення на навколоземну орбіту вантажів у великих обсягах. Причини цього полягають не тільки у високій вартості, а й у тривалому часі стартової підготовки та малій кількості самих стартових комплексів.

Принципово нові транспортні системи можуть бути створені на основі повітряно-космічних літаків(ВКС) з комбінованою силовою установкою, що включає прямоточний повітряно-реактивний двигун(ПВРД), що працює на водні, та рідинний ракетний двигун(ЗРД). Використовуючи на більшій частині атмосферної ділянки траєкторії розгону повітря для створення підйомної сили та атмосферний кисень для окислення палива, можна значно зменшити витрати пального та стартову масу ВКС. Такий повітряно-космічний літак здатний доставити на навколоземну орбіту вантаж, вага якого дорівнює 3-5% від злітного. При цьому, за оцінками фахівців, питома вартість доставки буде у 20-50 разів менша, ніж при використанні ракет.

Будучи літаком, ВКС має низку та інших переваг перед ракетними системами. Він може горизонтально стартувати з будь-якого аеродрому (відпадає необхідність у складних і дорогих стартових комплексах), причому підготовка до старту займає значно менший час. ВКС здатний вийти на потрібну навколоземну орбіту за рахунок маневрування в атмосфері, а не в космосі, що потребує значно менших витрат палива. У нього практично відсутня характерна для ракет зона відчуження, куди падають елементи конструкції, що відпрацювали. Завдяки цим перевагам ВКС можна використовувати і під час проведення швидких рятувальних операцій.

Однак до такого «універсального» літального апарату висуваються й особливі вимоги. Адже на відміну від відсіків космічних апаратів ВКС, що повертаються, повинен здійснити в атмосфері досить тривалий політ з гіперзвуковими швидкостями, використовуючи безперервно працюючу рухову установку. Тому основні труднощі створення подібного літального апарату обумовлені насамперед структурою теплового та силового впливу атмосфери.

При польоті максимальний тиск на апарат пропорційно квадрату швидкості потоку, що набігає, а теплове навантаження в критичній точці носової частини апарату, що відповідає точці гальмування потоку, - кубу швидкості. В результаті при гіперзвукових швидкостях польоту (М * > 6) теплове навантаження зростає майже в десять разів і більше порівняно з надзвуковими швидкостями (М ≤ 3), а рівноважна температура теплоізольованої оболонки літального апарату майже втричі.

Вирішення цих проблем при створенні гіперзвукових літальних апаратів вимагає від інженерів-конструкторів пошуку принципово нових науково-технічних ідей, насамперед у галузі матеріалів, аеродинаміки та теплообміну.

Основна вага – паливо

Дослідження з розробки технології гіперзвукового польоту з прямоточним повітряно-реактивним двигуном на водні велися з середини минулого століття у низці зарубіжних країн (США, Франції, Німеччини, Японії, Китаї, Австралії), а також у СРСР, де розроблялися дві гіперзвукові системи – «Спіраль » та «Буран».

Незважаючи на значні досягнуті успіхиу розробці технологій ВКС безліч проблем залишилися невирішеними. І перші в цьому ряду – взаємопов'язані проблеми двигуна та конфігурації самого літального апарату, оскільки витрати палива для виведення на орбіту визначаються головним чином характеристиками силової установкита аеродинамічною якістю компонування літака.

На основі досліджень аеродинамічної якості конфігурацій літальних апаратів та питомого імпульсу ПВРД з використанням експериментальних моделей в Інституті теоретичної та прикладної механіки СО РАН було розраховано масу пального, необхідного для розгону ВКС до 1-ї космічної швидкості**. Виявилося, що вона має становити близько 70% від його стартової маси. Розрахунки показали, що значення стартової маси дуже чутливе до варіації відносної маси пального. Наприклад, зменшення (збільшення) витрат палива на 1% призводитиме до відповідної зміни стартової маси ВКС на 25%.

Тому не дивно, що масу самої конструкції ВКС накладаються дуже жорсткі обмеження. Відносна велика маса конструкції допускається тільки для багатоступінчастих систем, зокрема, за умови скидання елементів конструкції, що відпрацювали, на певних ділянках траєкторії польоту. Однак при цьому умови експлуатації багатоступінчастих систем ускладнюються відповідно збільшується вартість.

Гріємо повітря

Досягти зниження витрати пального можна, збільшивши аеродинамічна якість (тобто відношення аеродинамічної підйомної сили до аеродинамічного опору) та питомий імпульс силової установки (ставлення тяги двигуна до витрат палива). Численні експериментальні дослідження аеродинамічних характеристик гіперзвукових літальних апаратів свідчать, що їхня максимальна аеродинамічна якість у гіперзвуковому діапазоні швидкостей має кінцеву межу при реальних числах Рейнольдса (відношення динамічної сили до сили тертя) K max ≈ 6.

Оскільки збільшити цей показник за допомогою аеродинамічного конструювання не вдається, в даний час велика увага приділяється вирішенню завдання активного управління обтіканням тіл за допомогою енергетичного та (або) силового впливу на потік, що набігає, зокрема, за допомогою підведення тепла в надзвуковий потік перед тілом. Для технічної реалізації цієї ідеї передбачається використовувати лазерне та НВЧ-випромінювання.

У більшості таких теоретичних та експериментальних досліджень розглядається завдання зменшення аеродинамічного опору. Цей ефект пов'язаний головним чином із зменшенням щільності газу в потоці, що набігає, що підтверджено розрахунками і безпосередніми вимірюваннями. Певну роль можуть відігравати зміни режиму обтікання внаслідок зміни числа Маха чи числа Рейнольдса, і навіть іонізації потоку.

На прикладі обтікання гіперзвуковим потоком газу трапецієподібного модельного профілю було показано, що на аеродинамічний опір і підйомну силу можна впливати шляхом формування в потоці, що набігає, ступінчастого розподілу температури (що відповідає ступінчастому розподілу щільності газу). Досягти такого ефекту можна, наприклад, при імпульсно-періодичному нагріванні потоку комбінуванням лазерного та НВЧ-випромінювання. При цьому максимально висока аеродинамічна якість досягається в режимі гліссування, коли політ відбувається на межі поділу середовищ високої та низької щільності.

Функціональні моделі

Перевірка того чи іншого способу управління потоком повітря, що набігає, може бути проведена за допомогою так званого функціонального моделювання. У цьому сенсі літальний апарат – складну ієрархічну систему – можна у вигляді взаємозалежної сукупності різних підсистем, що визначаються за функціональними ознаками.

Математична модель літального апарату складається з ряду блоків: аеродинамічні характеристики, тяга та питомий імпульс двигуна, траєкторія польоту, функціональні обмеження, оптимальне керування. Таким чином, у ній відображені функціональні характеристики та зв'язки елементів у цілому, без жорсткої прив'язки до конкретних пристроїв, що реалізують.

З використанням такої моделі можна оцінити як важливу можливість досягнення поставленої мети, так і конкретні характеристики (ефективність, критичні режими роботи тощо). Змінюючи базові значення характеристик окремих елементів, можна визначити їх вплив на функціональні властивості системи загалом та встановити величину допустимих збурень – виробити вимоги до точності вимірювання параметрів.

Особливість функціонального моделювання в тому, що синтез та аналіз об'єкта проводиться при невеликому обсязі початкової інформації. Звідси випливає, по-перше, ітераційний характер побудови математичної моделі, що передбачає постійне коригування процесу з урахуванням вже отриманих результатів. По-друге, у моделі передбачається мінімальна кількістьвхідних параметрів, що зменшує ступінь невизначеності при встановленні характеристик літального апарату.

Друга обставина стимулює пошук нових, узагальненіших форм представлення функціональних властивостей елементів. Звичайно, вони повинні співвідноситися з безліччю можливих конкретних пристроїв. Однак вибір та розробка самих пристроїв – це наступний етап роботи.

Горіння у надзвуковому потоці

Найважливіша частина силової установки ВКС - прямоточний повітряно-реактивний двигун, теоретичний і експериментальному дослідженнюякого присвячено багато робіт.

Концепція використання ПВРД для польоту з гіперзвуковими швидкостями передбачає, що у каналі двигуна згоряння палива має відбуватися надзвуковому потоці повітря. При цьому кількість палива, що згорає, повинна бути достатньою для отримання необхідної тяги. Відомий італійський фізик, творець першої аеродинамічної надзвукової труби А. Феррі запропонував кілька способів упорскування палива в потік і описав можливі схеми течій, що виникають при цьому. Проте відомостей про їх практичну реалізацію відсутні.

Загалом діагностика потоків, що утворюються при згорянні палива, надзвичайно утруднена через нерівномірний розподіл параметрів течій та нерівноважності процесів. Досі немає достовірних експериментальних даних, що свідчать, що в каналі двигуна дійсно зберігається надзвуковий перебіг при його «підігріві» в результаті згоряння палива, враховуючи, що статична температура газу не повинна перевищувати 2500-2700 °K. Це обмеження, важливе при гіперзвуковому польоті, пов'язане з необхідністю обмеження ступеня дисоціації продуктів згоряння, оскільки остання призводить до зменшення працездатності газового потоку і, отже, зменшення тяги двигуна.

Для визначення характеристик ПВРД існуючими методамипотрібно завдання деякої множини визначальних величин, що залежать від газодинамічних і геометричних параметрівдвигуна та визначених, як правило, експериментально. Тому ці методи малопридатні при функціональному моделюванні, коли потрібно визначити мінімальну сукупність основних параметрів, які відносно мало (передбачувано) змінюються в процесі функціонування системи.

В рамках такого підходу в ІТПМ була побудована функціональна математична модель силової установки, яка дозволяє отримувати оцінки коефіцієнта тяги та питомого імпульсу ПВРД та комбінації ракетного та прямоточного двигунів. При цьому враховується, що частина енергії продуктів згоряння використовуватиметься для керування зовнішнім обтіканням літака.

Оцінки ефективності керування зовнішнім обтіканням за допомогою нагрівання повітря перед літальним апаратом показали, що при крейсерському польоті на надзвукових швидкостях значно – до третини, залежно від числа Маха польоту, – збільшується так званий коефіцієнт дальності Бреґе *** за рахунок збільшення аеродинамічної якості.

Порівняння витрат палива на розгін з нагріванням повітря перед ВКС та без нагрівання було зроблено на оптимальних траєкторіях польоту, коли використовується комбінований двигун. Економія палива на траєкторії розгону становила 3% від злітної ваги ВКС. Це означає, по-перше, що полегшується вирішення конструкторських завдань. По-друге, що з'являється можливість значно збільшити корисне навантаження космічного апарату.

За різними оцінками, вага виведеної на орбіту корисного навантаження становить 3-5 % від стартової ваги літака – цифри, які можна порівняти з розрахунковою величиною економії палива під час управління обтіканням літака. Таким чином, очевидно, що управління обтіканням ВКС за допомогою нагрівання потоку, що набігає, буде дуже ефективно як при крейсерському режимі, так і при розгоні.

Потрібен тепловий захист

Існує ще ряд більш приватних, хоч і не менш важливих проблем, які потрібно вирішувати при створенні повітряно-космічного літака. Одна з них - інтенсивне аеродинамічне нагрівання, яке тривалий час доводиться витримувати конструкції планера, адже тепловий потік на поверхню літака пропорційний швидкості польоту третього ступеня. Така теплова дія – справжній бар'єр, який треба подолати при створенні гіперзвукових літаків.

Високі температури практично всіх ділянок поверхні літального апарату виключають можливість використання його конструкції традиційних металів (алюміній, титан, сталь). Можливі способитеплового захисту поверхні поділяються на пасивні та активні, а також їх комбінації. До перших відноситься, наприклад, використання матеріалів, що руйнуються, випромінюючих покриттів, покриттів з низькою температуропровідністю, що характеризуються невисокою швидкістю вирівнювання температури. Методи активного теплового захисту передбачають примусову подачу охолоджувальної речовини до гарячої поверхні, яка, можливо, проникатиме і у прикордонний шар зовнішнього повітряного потоку.

Дуже перспективним є метод теплової конверсії вуглеводневого палива, яке може частково заміщати рідкий водень. При цьому суміш вуглеводневого палива з водою подається каналами під гарячими поверхнями. Під впливом теплового потоку відбувається ендотермічна реакція утворення синтез-газу (суміші монооксиду вуглецю та водню), що йде з поглинанням тепла.

Реакція супроводжується інтенсивним конвективним рухом середовища, що забезпечує досить великі значення коефіцієнта теплопередачі та малий термічний опір між середовищем та нагрітою стінкою. В результаті температура поверхні знижуватиметься. "Бонусом" у цьому випадку буде збільшення енергії палива за рахунок поглинання зовнішнього теплового потоку.

Ще один тактичний прийом теплового захисту ВКС – зменшення площі поверхонь, які потрібно захищати від впливу високих температур. У ІТПМ СО РАН було розроблено концепцію конвергентного воздухозаборника і дивергентного сопла, мають компактні розміри проти звичайними. Модель такого літального апарату була випробувана в імпульсній аеродинамічній трубі інституту при М = 7,8 з працюючим двигуном на водні, і експериментальні результати збіглися з розрахунковими даними.

При польоті із надзвуковою швидкістю ударні хвилі, що генеруються літаком, досягають поверхні землі. Перепад тиску на ударній хвилі створює так званий звуковий удар. Вплив перепаду тиску на вушні перетинки може бути дуже болючим; сила удару може бути така, що будуть розбиватися навіть шибки. Зменшити звуковий удар можна завдяки спеціальному компонування літального апарату, вибору траєкторії та режиму польоту, а також активного впливу на структуру ударних хвиль на околицях літального апарату.

Навіть наведений тут короткий огляддемонструє безпрецедентну складність створення одноступеневого повітряно-космічного літака. Проте потужним стимулюючим чинником для форсування робіт з його створення є експоненційне зростання темпу освоєння навколоземного космічного простору.

Для виконання всього комплексу робіт ( наукові дослідження, проектні розробки, виготовлення дослідного зразка, експериментальне доведення, створення експлуатаційних структур) потрібні величезні людські, матеріальні та фінансові ресурси. Виконати задумане, мабуть, стане можливим лише за об'єднання зусиль багатьох країн. Але мета варта того, адже подальше освоєння космічного простору має сприяти успішному та мирному розвитку людської цивілізації.

Література

Бурдаков В. П., Данилов Ю. І. Зовнішні ресурси і космонавтика. М.: Атоміздат, 1976.

Георгіївський П. Ю., Левін В. А. Управління обтіканням різних тіл за допомогою локального підведення енергії в надзвуковий потік, що набігає // Изв. РАН. МЖГ. 2003. № 5. С. 154-167.

Латипов А. Ф. Про математичне моделювання літальних апаратів на етапі вироблення концепції // ЧММСС, 1979. Т. 10, № 3. С. 105-110.

Латипов А. Ф., Фомін В. М. Оцінка енергетичної ефективності підведення тепла перед тілом у надзвуковому потоці // ПМТФ. 2002. Т. 43 № 1. С. 71-75.

Латипов А. Ф. Оцінка енергетичної ефективності підведення тепла перед тілом при польоті з прискоренням. Частина 1. Математична модель // Теплофізика та аеромеханіка, 2008. Т. 15, № 4. С. 573-584. Частина 2. Математична модель розгінної ділянки траєкторії.

Результати розрахунків // Теплофізика та аеромеханіка, 2009. Т.16, № 1. С. 1-12.

Латипов А. Ф., Фомін В. М. Спосіб роботи надзвукового пульсуючого прямоточного повітряно-реактивного двигуна і надзвуковий пульсуючий прямоточний повітряно-реактивний двигун // Патент РФ № 2347098, 2009.

Сабельников А. В., Пензін В. І. До історії досліджень в галузі високошвидкісних ПВРД в Росії. М.: ЦАГІ ім. проф. Н.   Е. Жуковського, 2008.

* Число Маха – відношення швидкості потоку повітря до швидкості звуку

** Мінімальна швидкість, необхідна для виведення тіла на орбіту Землі

*** Коефіцієнт дальності Бреге Br = VKI, де V- Швидкість польоту, K- аеродинамічна якість, I- Питомий імпульс двигуна