Как стать автором
Обновить

Жизнь после «Шаттла»: NASP и Hyper-X

Уровень сложностиПростой
Время на прочтение17 мин
Количество просмотров11K

Автор: Иван Конюхов

Кризис

«Челленджер» мчится навстречу гибели
«Челленджер» мчится навстречу гибели

Катастрофа «Челленжера» 28 января 1986 г. отправила американскую астронавтику в нокдаун. Когда раскалённая струя из злосчастного «бустера» стремительно прожигала водородный бак, отсчитывая мгновения до его взрыва, общественность ещё пребывала в святой уверенности, что звёздно-полосатый космос далеко впереди планеты всей. В самом деле, кому ещё удалось сделать огромный многоразовый корабль, выглядящий как декорация из кинофантастики, способный решать задачи орбитальной станции и даже возвращать домой старые спутники?! Взрыв в прямом эфире, убивший семь человек, открыл телезрителям глаза. Оказывается, система, в которую вложены несметные миллиарды долларов, вовсе не такая «супер», как её малевали. Оказывается, после каждого полёта чудо-корабль встаёт, по сути, на капитальный ремонт, стоимость вывода килограмма полезной нагрузки в разы выше, а интенсивность пусков в разы ниже, чем планировалось, система избыточна для ряда операций, ненадёжна и опасна для своего экипажа. А ещё все яйца оказались в одной корзине: стремясь повысить частоту пусков «Шаттла», которая прямо влияет на их стоимость, американцы зарезали почти все альтернативные носители. Между тем, куда менее пафосные советские ракеты и корабли работают как часы, на орбиту рвётся уникальный комплекс «Мир», на подходе и многоразовый корабль типа «Шаттла», только лучше. «Надо что-то делать!» – вопили непосвящённые. NASA, военные и подрядчики только ругались сквозь зубы: работа по замене некультяпистого «челнока» уже вовсю кипела.

Стартует «Титан IV»
Стартует «Титан IV»

Пентагон бил тревогу задолго до катастрофы «Челленджера». Возможность «нырнуть» в атмосферу и сбросить на Москву атомную бомбу осталась лишь дезой для русских. В реальности «челнок» не был способен не только к такому кавалерийскому наскоку, но и к ряду миссий, решаемых одноразовыми носителями. В 1983 г. вояки выгрызли у Сената финансирование новой тяжёлой ракеты, чем весьма подсобили и мирной астронавтике – шесть лет спустя «Титан IV» вошёл в строй. Но один его пуск обходился казне $200…400 млн., а впереди маячила система СОИ, включавшая огромный флот лёгких и средних спутников – ни «Шаттл», ни «Титан» не обеспечивали требуемой оперативности запусков, а стоимость выведения надо было снизить на порядок.

Какой-то ранний концепт NASP
Какой-то ранний концепт NASP

Ещё в 1982 г. Управление перспективных исследовательских проектов Минобороны (DARPA) развернуло суперсекретную работу Copper Canyon. Похоже, сколь-нибудь серьёзного проектирования в её рамках не велось – скорее, сравнивалась теоретическая эффективность разных решений, направленных на создание одноступенчатой космической ракеты. Но «хотелки» военных не ограничивались носителем, посему в 1985 г. на смену Copper Canyon пришла широкомасштабная программа «Национального воздушно-космического самолёта» (NASP), способного выводить нагрузки в космос как одноступенчатый носитель, а также совершать длительные высокоскоростные полёты в атмосфере. Впоследствии Рональд Рейган в обращении к нации призвал создать «Новый Восточный экспресс» – пассажирский лайнер, что за два часа мог бы долететь от Вашингтона до Токио. Интересно, была это наивная попытка замаскировать проект под гражданский или не менее наивная надежда получить с военной научно-исследовательской работы (НИР) коммерческий выхлоп?

Суперсамолёт для Пентагона

Модель Х-30 ранней «неинтегральной» концепции в ракетно-космическом музее города Хантсвилл, Алабама
Модель Х-30 ранней «неинтегральной» концепции в ракетно-космическом музее города Хантсвилл, Алабама

NASP всегда был «чёрной программой», то есть отличался высшей степенью секретности. С его закрытия прошло почти тридцать лет, но данные о целях исследований всё ещё неполны и противоречивы. Натыкаясь на явные «нестыковки», невольно задаёшься вопросом, а не были ли эти потуги всего лишь «разводом» богатенького американского бюджета, учинённым военными и промышленниками? А может, как в случае СОИ, заявленные характеристики были пропагандистским блефом? Пока остаётся лишь гадать.

Х-30 в варианте с одним килём. На корпусе заметны створки отсека полезной нагрузки
Х-30 в варианте с одним килём. На корпусе заметны створки отсека полезной нагрузки

В рамках программы NASP к 2000 году предполагалось построить два демонстратора технологий Х-30 стоимостью по $5,2 млрд. (в ценах 1992 г.) Проектировали их буквально «всем миром»: за планёр отвечали «Рокуэлл интернешнл» (тремя десятилетиями ранее она создала другой «суперсамолёт» Х-15), «Дженерал Дайнемикс» и «Макдоннелл-Дуглас», двигатель делали «Пратт-Уитни» и «Рокетдайн», а руководили этим безобразием NASA, DARPA и ВВС. Стоит ли удивляться, что дитя восьми нянек тонуло в организационных неурядицах? Х-30 являл собой весьма крупный летательный аппарат (ЛА) с экипажем из двух человек и взлётной массой 113 тонн, в ходе проектирования выросшей до 159 т. Стартовать и приземляться ему предстояло «по-самолётному» на обычные полосы длиной 3 км. Гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ГПВРД) на жидком водороде разгонял ЛА с грузоподъёмностью около 9 тонн до скоростей, соответствующих числу Маха М=5…15, т. е. в 5…15 раз быстрее скорости звука, которая в стратосфере составляет 1062,36 км/ч (напрямую мерить скорость в «махах» некорректно). Х-30 должен был стать прототипом стратегического бомбардировщика, перехватчика, разведчика и крылатой ракеты. После атмосферных испытаний его можно было дооснастить жидкостным ракетным двигателем (ЖРД), превратив в одноступенчатый космический носитель, чья технология подготовки к запуску и затраты соответствовали пусть очень крутому, но самолёту, а время реагирования не превышало суток.

Макет Х-30 в ракетно-космическом музее города Хантсвилл, Алабама
Макет Х-30 в ракетно-космическом музее города Хантсвилл, Алабама

Первым делом был определён рациональный облик «космоплана». После сравнения осесимметричной формы с воздухозаборниками, расположенными кольцом, «летающего крыла» и интегральной схемы типа «несущий корпус», оптимальной была признана последняя. Она подразумевала клиновидный ЛА, нижняя поверхность которого использовалась как элемент воздухозаборника и часть сопла. В корме запроектировали треугольные крылья небольшой площади и двухкилевое вертикальное оперение.

Х-30 выходит на орбиту
Х-30 выходит на орбиту

Во время длительного атмосферного полёта конструкция ЛА подвергается сильнейшему нагреву. Проблема куда сложнее, чем у «Бурана» и «Шаттла» – они стартовали «по-ракетному», быстро проходя плотные слои атмосферы, а на спуске просто гасили орбитальную скорость с относительно небольшими перегрузками и минимальным тепловыделением. Да, от них требовался определённый боковой манёвр, но запас энергии орбитального полёта обеспечивал его даже при низком аэродинамическом качестве. Иное дело Х-30 – он должен был в «самолётном» режиме не только тормозить и снижаться, но и наоборот – разгоняться и набирать высоту. Это требует маленького сопротивления и высокого аэродинамического качества, а значит неприменим «магистральный» метод снижения тепловых нагрузок спускаемых аппаратов – большие радиусы скругления кромок, – ведь они создают мощный отошедший скачок уплотнения, который портит и аэродинамику, и характеристики ГПВРД. А на «почти острых» кромках температура может достигать двух тысяч градусов (Цельсия, Кельвина – невелика разница) – её выдержат только специальные виды керамики, композиты типа углерод-углерод и тугоплавкие сплавы из очень дорогих, труднообрабатываемых и вообще «капризных» металлов: вольфрама, молибдена, ниобия. Из-за большого веса и нетехнологичности эта экзотика шла только на сами кромки, а в конструкцию предполагалось делать из титана – тоже непростого и недешёвого материала. Её охлаждало криогенное горючее по пути от топливных баков в двигатель. У жидкого водорода непревзойдённый хладоресурс, который надёжно блокирует тепловые потоки внутрь планёра. При этом охлаждается и воздух, идущий в двигатель, что позволяет затем передать ему большую энергию в камере сгорания. Отобранное у воздуха тепло не пропадает втуне, а испаряет жидкий водород, делая процесс горения более эффективным. Идея хороша, с какой стороны не посмотри, но масса и сложность такой системы росли по мере проектирования. Выходило, что чисел Маха больше М=17 выгоднее достигать на ракетном двигателе – вес системы охлаждения превосходил массу окислителя.

Модель одного из вариантов Х-30 в аэродинамической трубе 14х22 фута
Модель одного из вариантов Х-30 в аэродинамической трубе 14х22 фута

В 1993 году стало очевидно, что технические трудности нарастают лавиной, а необходимость в «супероружии» отпала, ибо «суперпротивник», к вящей грусти «ястребов», таковым быть перестал. Тем более, военные сообразили, что бомбардировщик-разведчик-ракета с тепловой сигнатурой горящей бензоколонки уязвим для противовоздушной обороны несмотря на все свои 15 махов, а в качестве истребителя – недостаточно гибок и оперативен. Сожрав около 2 миллиардов долларов, программа NASP приказала долго жить.

Результаты численного моделирования обтекания носовой части гиперзвукового ЛА. Цветные линии - это изотермы, показывающие, во сколько раз местная температура (в Кельвинах) больше температуры атмосферы
Результаты численного моделирования обтекания носовой части гиперзвукового ЛА. Цветные линии - это изотермы, показывающие, во сколько раз местная температура (в Кельвинах) больше температуры атмосферы

Исследования по Х-30 выявили две главных проблемы гиперзвуковых ЛА: теплозащиту и двигатель. Поскольку решать их необходимо хотя бы в перспективе, на пепелище NASP стали появляться новые НИРы. Аппаратом HyFlTE-1 планировалось изучить аэродинамику клиновидного тела на гиперзвуковой скорости, на HyFlTE-2 – модельный ГПВРД. Оба изделия запускались твердотопливной баллистической ракетой «Минитмен-2», не отделяясь от неё в полёте. За ними должен был последовать довольно большой HyFlTE-3, который, будучи заброшенным на расчётную высоту «Титаном-2», самостоятельно летел на тяге ГПВРД в течение полуминуты. Но и эта программа была зарублена администрацией Клинтона, выступавшей резко против одновременного руководства ВВС и NASA, как крайне неэффективного. Военным оставили прототипы боевых ракет (HyFly, X-51 и иже с ними), NASA же единолично возглавило работы по высокоскоростным аппаратам.

Например, экспериментальный двигатель Pratt-Whitney CDE (модель «пламенного сердца» Х-30 в масштабе 30%) превращал в огонь кубометры газообразного водорода на стендовой установке НТТ Центра Лэнгли. В 20 пусках со временем работы до 30 с исследовался в основном диапазон чисел Маха набегающего потока М=6,2…6,8, при которых происходит переход с дозвукового горения на сверхзвуковое. Это были весьма важные испытания, ибо именно двигатель определяет облик аппаратов, подобных Х-30. Пожалуй, о нём стоит поговорить отдельно.

Быстрее пламени

Прошлое встретилось с будущим: И-153 с ПВРД
Прошлое встретилось с будущим: И-153 с ПВРД

Идею прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД) ещё в 1913 г. обосновал француз Рене Лорин. Набегающий поток захватывает воздухозаборное устройство, спрофилированное так, чтобы его затормозить. При этом возрастает давление – кинетическая энергия переходит в потенциальную. Сжатый воздух попадает в камеру сгорания, где топливо распыляется форсунками, а полученный аэрозоль поджигается; газовая смесь разгоняется в сопле и создаёт тягу. Всё! Устройство и принцип работы ПВРД максимально просты - никаких вращающихся частей, никаких сложных механизмов. Неудивительно, что подобный мотор привлекал внимание специалистов ведущих авиационных держав – в СССР дополнительные ПВРД-ускорители вешали даже на деревянные бипланы И-15. Однако на дозвуковых скоростях они абсолютно неэффективны, ибо не удаётся в достаточной степени поджать поток. Иное дело – сверхзвук. В скачках уплотнения воздух необратимо теряет изрядную долю энергии (она рассеивается в тепло), зато и давление повышается гораздо интенсивнее. При М=2,5…3 кинетическое сжатие становится более эффективным, чем механическое на компрессоре, т. е. прямоточный двигатель по удельным параметрам превосходит турбореактивный. Есть у ПВРД и специфическое преимущество перед компрессорными моторами – ему не обязательно иметь осесимметричную форму, чем разработчики гиперзвуковых ЛА активно пользуются. Главный недостаток ПВРД, думаю, ясен из описания: чтобы он начал хоть как-то работать, его нужно разогнать до определённой скорости – «прямоточный» самолёт не может самостоятельно взлететь. Поэтому область применения ПВРД ограничивается боевыми ракетами, где особенно ценится малый вес, простота и дешевизна.

Схема ПВРД с дозвуковым горением
Схема ПВРД с дозвуковым горением

Для космических носителей «прямоточки» тоже привлекательны, ибо по сравнению с традиционными ЖРД у них гораздо выше удельный импульс – каждый потраченный за секунду килограмм топлива переходит в куда более высокую тягу. Разгадка проста: топливо ЖРД – это горючее и окислитель. Воздушно-реактивным же двигателям, единственным дееспособным типом которых на высоких скоростях остаётся ПВРД, нужно только горючее – окислителем выступает атмосферный воздух, и его массу с собой тащить не надо. А ведь окислителя на жидкостной ракете больше, нежели горючего. Да, дополнительный ЖРД всяко необходим, но работать он будет не с земли, а там, где «прямоточке» перестанет хватать воздуха – почти в космосе. На «халявном» атмосферном окислителе будет набрана не только высота, но и приличная скорость, давая шанс «обмануть» формулу Циолковского и сделать-таки носитель одноступенчатым – без запуска двигателей в полёте, без полей падения, с «самолётной» технологией вывода полезных нагрузок. Увы, по мере роста скорости удельный импульс классического ПВРД стремительно падает – получить на нём пару километров в секунду, пожалуй, можно, но никак не восемь. Дело в том, что поток в камере сгорания должен быть дозвуковым – чем выше скорость, тем сильнее его надо оттормозить, тем большая доля энергии будет рассеиваться. Огромное тепловыделение вызовет недопустимые тепловые нагрузки на конструкцию движка и снизит эффективность горения топлива до нуля.

Классическая диаграмма областей эффективного применения воздушно-реактивных двигателей. В данном случае построена в координатах «удельный импульс от полётного числа Маха»
Классическая диаграмма областей эффективного применения воздушно-реактивных двигателей. В данном случае построена в координатах «удельный импульс от полётного числа Маха»

Эти беды можно оттянуть до более высоких скоростей, если воздух в камере сгорания будет двигаться быстрее звука – такой ПВРД называют гиперзвуковым, ГПВРД. Правда, добавляется одна проблемка – надо заставить сверхзвуковой поток гореть.

Схема ГПВРД (ПВРД со сверхзвуковым горением)
Схема ГПВРД (ПВРД со сверхзвуковым горением)

Руководитель гиперзвуковых программ «Боинга» Джордж Ортон описал её образно: «это как оказаться внутри торнадо и попытаться зажечь там спичку». Фронт пламени при обычном (дефлагационном) горении распространяется со скоростью звука, т. е. его сдует в сопло задолго до того, как он разойдётся по объёму потока. Сверхзвуковое горение должно быть подобно взрыву. Один из способов его обеспечить – это так называемая детонационная волна (псевдоскачок). Она сочетает прямой скачок уплотнения, в коем происходит сжатие и воспламенение топливно-воздушного аэрозоля, и следующий за ним тепловой скачок расширения дозвукового потока, где и происходит горение. Получается не «чистый» сверхзвуковой режим, и потери при таком горении соответствующие, но хоть что-то. «Лётный» ГПВРД на псевдоскачке впервые разработан российскими специалистами – осесимметричный модельный двигатель на криогенном топливе крепился в носовой части зенитной ракеты 5В28 (В-880) комплекса С-200М. Испытания по проекту «Холод» проходили в 90-х годах при участи научных институтов Франции, США и Казахстана. Полётное число Маха достигало М=6,5, в камере сгорания оно составляло М=1…1,5.

Торможение потока с числом Маха М=5 на ступенчатом клине. Численное моделирование в САПР ANSYS Fluent, двумерная постановка
Торможение потока с числом Маха М=5 на ступенчатом клине. Численное моделирование в САПР ANSYS Fluent, двумерная постановка

Набегающий поток на сверхзвуке для любого типа воздушно-реактивного двигателя полностью (внешнее сжатие) или частично (смешанное сжатие) тормозится на генерирующем скачки уплотнения теле торможения: конусе в случае осесимметричного воздухозаборника и клине, если он плоский. Несколько слабых скачков дают меньшие потери энергии, нежели один мощный – они получатся, если образующая клина/конуса будет не прямой, а ломаной с повышением угла к обечайке заборника. Чем выше скорость, тем больше длина тела торможения, выше его сопротивление. Но в случае плоского заборника давление под клином гораздо больше, чем над ним (верхнюю поверхность профилируют так, чтобы минимизировать сжатие потока), т. е. он не только готовит воздух к попаданию в двигатель, но и создаёт подъёмную силу, делая корпус аппарата несущим – на больших скоростях ему и крылья-то особо не нужны. Такой тип интегральной компоновки называется «волнолёт» и получил широкое распространение на высокоскоростных ЛА, в т. ч. и на Х-30. Но есть нюанс: клин сжатия расположен в носу, создавая мощный кабрирующий момент и статическую неустойчивость, парировать которые можно только большим оперением. Несколько облегчает задачу сопло внешнего расширения – у него нет нижней обечайки, поэтому оно похоже на развёрнутое тело торможения и «несёт» по тому же принципу.

Волнолёт набирает высоту

Результаты численного моделирования обтекания Х-43А
Результаты численного моделирования обтекания Х-43А

Итак, ВВС сдали материалы по гиперзвуку в NASA, которое силами центров Ленгли и Драйдена начало очередную итерацию воздушно-космических мучений – программу «Hyper-X». На начальном этапе она предполагала постройку трёх маленьких аппаратов Х-43А, внешне похожих на Х-30, но на самом деле – моделей в шестипроцентном масштабе бомбардировщика «Global Reach», чья разработка была прекращена в начале 90-х. 

Раскладка конструкционных материалов Х-43А
Раскладка конструкционных материалов Х-43А

На создание Х-43А потратили $230 млн., непосредственно строила их небольшая фирма «MicroCraft» при технической поддержке «Боинга». Они выполнены по схеме «несущий корпус-волнолёт» с большими цельноповоротными элевонами и двумя килями в задней части. Длина корпуса сложной клиновидной формы 3,65 м, размах оперения 1,6 м, стартовая масса – около 1270 кг. Планёр выполнен в основном из жаропрочного хром-кобальтового сплава серии «Haynes» и покрыт керамической теплозащитой. Носовая часть массой 408 кг целиком выдолблена из вольфрама, передние кромки изготовлены из углерод-углеродного композиционного материала. Первые два ЛА рассчитывались на полёты со скоростью, соответствующей М=7, и максимальные температуры 1440°С, а третий – под М=10 и 1980°С. На нём усилена теплозащита и установлена система активного охлаждения.

Модель Х-43А в аэродинамической трубе НТТ при М=7. Эксперимент, как это нередко бывает, проводится с перевёрнутой моделью
Модель Х-43А в аэродинамической трубе НТТ при М=7. Эксперимент, как это нередко бывает, проводится с перевёрнутой моделью

Маршевый ГПВРД плоской формы размещается под корпусом ЛА. Обечайка воздухозаборника охлаждается водой, сам двигатель не имеет системы охлаждения. В качестве горючего используется газообразный водород массой 1,36 кг, хранящийся в двух шар-баллонах под давлением 600 кг/см². Для запуска двигателя в камеру сгорания вместе с горючим подаётся газообразный силан (гидрид кремния), образующий с водородом самовоспламеняющуюся смесь. Камера сгорания изготовлена из медных сплавов, подача горючего в неё осуществляется под давлением 64 кг/см² в течение 7…10 секунд. На этапе наземной отработки было выполнено порядка 600 запусков двигателя, в том числе около 75 – в аэродинамической трубе НТТ.

Связка «Пегас»+Х-43А выходит на сверхзвук
Связка «Пегас»+Х-43А выходит на сверхзвук

В качестве носителя используется старый бомбардировщик В-52В, знакомивший с небом ещё Х-15 – любопытная вышла преемственность. Х-43А угнездился под правой консолью крыла. Для разгона до скорости и высоты запуска ГПВРД, применяется твердотопливная первая ступень космической ракеты с воздушным стартом «Пегас», развивающая тягу 50700 кгс. Благодаря треугольному крылу «бустер» может разгоняться по пологой траектории.

Первый запуск Х-43А, 2001 г.
Первый запуск Х-43А, 2001 г.

Бомбовоз взлетал с а/б «Эдвардс» и сбрасывал свой новаторский груз над Тихим океаном недалеко от побережья Калифорнии. Правда, первый блин вышел комом: в июне 2001 г. Х-43А очень по-глупому угробили. Энергозатраты на его разгон гораздо ниже, чем на штатную работу первой ступени, и чтобы не переделывать топливный заряд, экспериментаторы центра Драйдена решили запускать связку с высоты 7200 м (против 12000 м, с коих «Пегас» уходит в космос). Сложно сказать, на что они надеялись, но в плотных слоях атмосферы ступень подверглась нерасчётным аэродинамическим нагрузкам и попросту развалилась.

«Намордник» защищает переднюю кромку от повреждений в ходе предполётной подготовки
«Намордник» защищает переднюю кромку от повреждений в ходе предполётной подготовки

Авария надолго задержала программу, так что полёт второго Х-43А состоялся лишь 24 марта 2004 г. Пуск проводили с нормальной высоты, удалив из «Пегаса» излишки топлива. Он разогнал изделие до скорости, соответствующей М=7 на высоте 28500 м. После отделения от первой ступени и пятисекундной продувки тракта в двигатель Х-43А были поданы силан и водород, а после начала устойчивого горения поток силана был перекрыт. За 8 секунд, что ГПВРД работал на штатном горючем, скорость росла, а значит, мотор «тянул». После отсечки двигателя последовал планирующий спуск с маневрированием при числах Маха М=5…6. Х-43А упал в океан после 11 минут полёта на расстоянии 840 км от места старта.

Х-43А в полёте. На этой картинке доходчиво показана работа сопла внешнего расширения
Х-43А в полёте. На этой картинке доходчиво показана работа сопла внешнего расширения

Третий экземпляр полетел 16 ноября 2004 года, отцепившись от «Пегаса» на высоте 32220 м. ГПВРД был запущен при скорости набегающего потока 2133 м/с и скорости в камере сгорания 915 м/с и отработал 10 секунд. За это время ракета достигла 2920 м/с - в 9,65 раз быстрее звука! После планирующего спуска с маневрированием при числах Маха М=2…6 ЛА приводнился в 1570 км от места старта.

В космос на «прямоточке»?

Х-43С со стороны кормовой части
Х-43С со стороны кормовой части

Продолжить программу «Hyper-X» предстояло аппарату Х-43С длиной 5 м и массой 2260 кг, похожему на Х-43А, но оснащённому трёхмодульным ГПВРД, работающим на углеводородном горючем общей массой 272 кг. «Пегас» выводил изделие на скорость и высоту запуска ГПВРД, который отрабатывал 4…5 минут, обеспечивая разгон в диапазоне чисел Маха М=5…7. Чтобы мотор выдержал, его конструкцию нужно охлаждать топливом. При довольно сильном изменении скорости «плывут» углы наклона скачков уплотнения на теле торможения, что влечёт либо повышенное аэродинамическое сопротивление на малых скоростях, либо неустойчивую работу двигателя на больших. Чтобы этого избежать, плоскости клина сжатия сделали подвижными – они и были главной «изюминкой», которую предстояло проверить в полёте.

X-43B
X-43B

Дальнейшим развитием семейства Х-43 предполагались Х-43В и Х-43D. Х-43В проектировался, как многоразовый ЛА длиной около 12 м, рассчитанный на 25 полётов со скоростью, соответствующей М=7. Внешне он выглядел весьма странно, имея две пары тандемно расположенных несущих поверхностей. В дополнение к маршевому «углеводородному» ГПВРД, как на Х-43С, он должен был оснащаться разгонным турбопрямоточным мотором (комбинация в едином агрегате турбореактивного и прямоточного двигателя), работающим до числа Маха М=4, что позволяло не только отказаться от ракетного ускорителя, но и взлетать самостоятельно.

Взлёт и посадку клиновидного ЛА планировалось исследовать на прототипах Х-43А-LS и Х-43B-LS. Первый представлял собой копию Х-43А, оснащённую турбореактивным двигателем тягой 63,4 кгс. В 2001…2003 гг. он выполнил комплекс скоростных рулёжек и полётов на скоростях до 367 км/ч. Отрыв начинался на 140 км/ч, посадочная скорость в принципе была 120 км/ч, но при этом аппарат плохо управлялся, посему садились обычно на скоростях до 170 км/ч. В целом, несмотря на некоторые проблемы с устойчивостью, Х-43А-LS доказал, что гиперзвуковой «несущий корпус» может взлетать с обычной полосы, садиться на неё же и довольно активно маневрировать на малых скоростях.

Компоновка Х-43D
Компоновка Х-43D

На X-43D планировалось установить ГПВРД на жидком водороде с вытеснительной системой подачи. За 10 с активного полёта предполагалось достичь скорости, соответствующей М=15. В предварительных проработках Х-43D напоминал Х-43А, но был несколько крупнее. По краям сопла внешнего расширения появились развитые подфюзеляжные фальшкили, которые не давали реактивной струе растекаться на цельноповоротные рули высоты. Считалось, что запуск двигателя можно будет произвести без силана, но его бак на всякий случай оставили. Носовая часть, как и на Х-43А, делалась из вольфрама, игравшего роль балласта: для упрощения системы управления ЛА проектировали статически устойчивым. Нос дополнительно охлаждался водой, чья масса составляла аж 3% взлётного веса (горючее – 1%). Конструкцию фюзеляжа делали из алюминиево-литиевых сплавов, покрытых теплозащитой, которая не позволяла ей нагреваться свыше 120°С. На хвостовое оперение пошёл алюминий-титан с углерод-углеродными передними кромками, на топливные баки – углеродный композит. Запускать аппарат предполагалось с авиабазы Ванденберг на запад при помощи баллистической ракеты «Пискипер», которую в то время как раз снимали с вооружения. Рассматривался и запуск с «Морского старта», соответственно, украинской ракетой «Зенит-3SL». Но всем амбициозным планам не суждено было сбыться: в 2004 г. администрация Буша сориентировала американскую астронавтику на Луну. Средства на новую лунную программу перенаправили из других проектов NASA, включая исследования ГПВРД, что стало приговором для «Hyper-X».

Посадка первой ступени Falcon 9
Посадка первой ступени Falcon 9

Со старта проекта NASP до кончины самого далёкого его последыша прошло чуть менее 20 лет. С тех пор минуло почти столько же, но третий Х-43А всё ещё остаётся самым скоростным ЛА с воздушно-реактивным двигателем. За четыре десятилетия отношение к средствам вывода на орбиту успело не раз поменяться. Начиная разработку Х-30, американцы, похоже, сильно недооценили технические трудности – возможно, «Шаттл» дал им иллюзию «моря по колено». К тому же казалось, что скоро грузопоток на орбиту кардинально вырастет, и старт железной крупинки в великую пустоту станет такой же обыденностью, как авиарейс из Нью-Йорка в Сан-Франциско. Полёты Х-43А пришлись на совсем другое время. «Шаттл» разочаровал, а катастрофа «Колумбии» вовсе загнала американскую астронавтику в глубокую депрессию. Старые советские ракеты и корабли спокойно выполняют работу, которая оказалась не под силу «кинематографической» технике? Так может и не нужно никакого развития? Но если всё-таки нужно, то высшей его точкой виделся всё тот же воздушно-космический самолёт, да только когда он будет… Джордж Ортон грустно констатировал: «Реальная проблема не в том, сможем ли мы заставить эти вещи работать; реальная проблема заключается в том, готовы ли мы тратить на них деньги». Илон Маск в тогдашней отрасли вряд ли воспринимался больше, чем «смешной чувак, который пытался у русских ракету купить». Кто мог знать, что этот самый Маск бросит вызов рекордам частоты запусков, причём на обычных, по большому счёту, многоступенчатых ракетах. Сделать их многоразовыми, возвращать и сажать на пышущий огнём «хвост» оказалось проще, нежели возиться с несущими корпусами, крыльями, теплозащитой и супермногорежимными воздушно-реактивными двигателями. Таковы и многоразовые разработки других частных компаний. Насколько высокий грузопоток они могут обеспечить? Кто знает… Честно говоря, хоть ракеты Маска и работают шикарно, мне эти танцы на реактивной струе продолжают казаться нелепицей. Надеюсь, пинка, который выдал мировой космонавтике новоявленный владелец «Твиттера», хватит, чтобы она переросла его концепцию. Не исключено, что тогда настанет время сдуть пыль с наработок по Х-30 и Х-43, а там, как знать, может и мы вспомним про МиГ-2000 и иже с ним.

Обжегшись на NASP, американцы не бросили попыток создать одноступенчатый космический носитель. О них читайте в следующих частях цикла: во вторник и в четверг, после обеда.

Литература
  1. Шумилин А. А. Авиационно-космические системы США. М.: «Вече». 2005

  1. X-30 National Aerospace Plane (NASP) // GlobalSecurity.org

  1. X-43 Hyper-X Program // GlobalSecurity.org

  1. First Flight For X-43A Low-Speed Demonstrator

  1. McClinton C. X-43: Scramjet Power Breaks the Hypersonic Barrier // Dryden Lecture. 44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. 9 Jan. 2006

  1. Johnson D. B., Robinson J. S. X-43D conceptual design and feasibility study // 13th AIAA/CIRA International Space Planes and Hypersonic Systems Technologies Conference. 2005.

  2. Stephenson D. Good news travels fast. Scramjet technology to power the future of supersonic flight // Boeing Frontiers. Vol. 4, is. 4. Aug . 2005

  3. Wikimedia Commons (иллюстрации)

Автор: Иван Конюхов

Оригинал

Теги:
Хабы:
Всего голосов 51: ↑45 и ↓6+51
Комментарии77

Публикации

Истории

Ближайшие события

19 сентября
CDI Conf 2024
Москва
24 сентября
Конференция Fin.Bot 2024
МоскваОнлайн