Горящие задругих: термосы икрылья
- Слева: Схема эвакуации «БОР-4» («Космос-1445») с борта патрульного самолета Р-3С Orion австралийских ВВС. Справа: укладывание и Подъём аппарата на палубу. На заднем замысле — человек в костюме химзащиты и в противогазе
Слева: Расчаливание «БОР-4» на палубе.
- Прекрасно виден надувной баллон-пеленг, торчащий над корпусом. Справа: Пять человек поднимают головы и провожают взором самолет австралийских ВМС
Аналогичной операции по спасению мир еще не видел. 3 июня 1982 года к архипелагу Кокосовых островов наперегонки устремились австралийские и советские поисковые суда (включая кроме того семь кораблей ВМФ Черноморского флота!). Искали они вовсе не потерпевшее кораблекрушение судно, а маленький необыкновенный «самолетик». Вопреки ожиданиям, коммунистический корабль, первым нашедший объект поиска, не стал кроме того близко доходить к нему.
На воду была спущена лодка с гражданскими экспертами, главной задачей которых было ввести в бортовую совокупность плавающего аппарата особый тайный код, блокирующий совокупность самоликвидации. Без этого кода аппарат, по сути, воображал собой вольно плавающую морскую мину: совокупность самоликвидации мешала любым попыткам поднятия либо транспортировки.
И лишь по окончании обезвреживания «самолетика» отечественный поисковый корабль под пристальным наблюдением австралийских ВМС поднял его на собственную палубу. Четыре вторых советских военных корабля «закрывали» эту операцию. И было от чего!
Сейчас недалеко от приводнения пребывали уже не только боевые суда и самолеты-разведчики, но и палубные вертолеты ВМС Австралии. Так проходила операция по подъему приводнившегося в Индийском океане космического аппарата БОР-4. Но БОР-4 был далеко не первым советским экспериментальным ракетопланом.
Древесный космоплан
Аппараты «БОР» были задуманы и выстроены в рамках программы создания боевого космического самолета «Спираль» (см. «ПМ» №9, 2004). Конструкторы желали в условиях настоящего космического полета проверить выбранную форму аппарата типа «несущий корпус».
Первый аппарат — «БОР-1» — являлся копией орбитального самолета «Спираль» в масштабе 1:3, имел длину 3 м, массу 800 кг и был цельнодеревянным! Он был запущен ракетой-носителем «Космос-2» (11К65) 15 июля 1969 года на высоту 100 км. При входе в плотные слои атмосферы со скоростью 13 000 км/ч аппарат сгорел, но на высоте 60−70 км была взята полезная телеметрическая информация о возможности устойчивого управляемого спуска несущего корпуса выбранной формы.
Аппараты «БОР-2» и «БОР-3», изготовленные в масштабе 1:3 и 1:2 соответственно, были выполнены уже из металла, имели одноразовую (уносимую набегающим воздушным потоком) абляционную теплоизоляцию и запускались в космос по баллистической траектории той же ракетой.
Но программа «Спираль» была закрыта, а вместо нее во второй половине 70-ых годов двадцатого века в СССР началась разработка многоразового космического корабля «Буран». Для «Бурана» требовалась легкая и надежная многоразовая теплоизоляция, которую также необходимо было отрабатывать в настоящих условиях. В этот самый момент Основной конструктор «Бурана» Глеб Евгеньевич Лозино-Лозинский отыскал в памяти о собственных аппаратах «БОР».
Эти аппараты доходили для опробований теплоизоляции советского шаттла идеально — они уже были испытаны в космосе.
Противопожарные меры
У спускаемых аппаратов космических судов, не способных к планированию, температура лобовых поверхностей может быть около нескольких тысяч градусов. В таких случаях, в большинстве случаев, употребляется теплоизоляция на базе абляционных материалов, принцип действия которых основан на последовательном уносе и нагреве за счет оплавления, испарения, химической эрозии и разложения раскаленного поверхностного слоя.
Громаднейшее использование взяли обугливающиеся пластмассы на базе фенольных, кремнийорганических и других синтетических смол, содержащих в качестве наполнителей углерод (а также графит), двуокись кремния (кремнезем, кварц), найлон. Абляционная защита — одноразовая и тяжелая, а потому для «Бурана» она не доходила.
Крылатые суда способны планировать, что разрешает снизить большие температуры поверхности при спуске до значений 1200−1700оС. Это делает вероятным создание многоразовой теплоизоляции на базе углеродных и кварцевых материалов.
Для «Бурана» необходимо было создать многоразовое покрытие: легкую керамическую плитку и эластичную войлочную теплоизоляцию, покрывающие главную поверхность корабля, и жаростойкую конструкцию из композита «углерод-углерод» для применения в носовой части и на передних кромках крыла.
Были совершены наземные опробования, имитирующие условия входа и космический полёт в воздух: опытные образцы покрытий испытывались в тепловакуумных плазменных установках. После этого покрытия были испытаны на самолетах-лабораториях Миг-18 и Ил-25. И наконец, опробования в космосе на моделях «БОР-4» должны были подтвердить работоспособность теплоизоляции в условиях настоящего полета.
Анатомия БОР-4
«БОР-4», созданный в Летно-исследовательском университете (ЛИИ) имени Громова, воображал собой беспилотную уменьшенную копию «Спирали» в масштабе 1:2. Он имел длину 3,4 м, размах крыла 2,6 м, стартовую массу около 1450 кг, массу 1074 кг на орбите и 795 кг по окончании возвращения. Аппарат был оснащен реактивными двигателями и отклоняемыми консолями крыла.
Телеметрическая совокупность «БОР-4» записывала данные и передавала ее в пакетном режиме при пролете над двумя судами слежения, а при спуске — на наземный приемный пункт. На дюралевой обшивке под теплозащитными плитками и под внешним покрытием плиток на глубине 0,3 мм было установлено 150 термопар, употреблялись кроме этого термокраски и индикаторы плавления.
Консоли крыла «БОР-4», как и орбитального самолета «Спираль», имели возможность поворачиваться в корневой части, наряду с этим величина угла «развала» определяла угол атаки, при котором аппарат самобалансируется (другими словами делается статически устойчив) при входе в плотные слои атмосферы. Это было революционное ответ, оно снимало проблему защиты довольно острой передней кромки крыла от больших температур: при поднятых консолях скоростной напор виделся с нижним дном и «стекал» с крыла.
При старте на ракете под головным обтекателем консоли крыла всецело складывались «шалашиком» на «пояснице». Консоли имели возможность отклоняться от балансировочного положения и раздельно — это употреблялось для управления по крену.
Первый «БОР-4» был запущен по суборбитальной траектории в направлении озера Балхаш 5 декабря 1980 года с целью проверки работоспособности всего комплекса. На нем была установлена уносимая абляционная теплоизоляция на базе материала марки ПКТ-ФП, складывающегося из фенолформальдегидной ткани, пропитанной смесью фенолформальдегидных смол (сходная защита используется на спускаемых аппаратах судов «Альянс»). Успешный полет данной летающей модели подтвердил ее надежность.
Последующие аппараты употреблялись уже конкретно для опробований теплоизоляции «Бурана», исходя из этого их было нужно значительно модифицировать. Поверх абляционной теплоизоляции уменьшенной толщины («на всякий случай») на узкую железную обшивку смонтировали соответствующую «бурановскую» теплоизоляцию — чёрные плитки и керамические белые на базе ультратонкого кварцевого волокна, маты эластичной теплоизоляции на базе органического войлока и носовой кок из композиционного материала «углерод-углерод».
Разработка наклейки теплоизоляции на «БОР-4» всецело соответствовала «бурановской». Носовой кок для «БОР-4» кроме этого был изготовлен в соответствии с требованиями «Бурана».
Для теплоизоляции консолей крыла из-за аэродинамических ограничений маленькой толщины керамических плиток не хватало, исходя из этого внутреннюю полость железной конструкции крыла заполнили пористым фетровым материалом, пропитанным особым составом на базе воды. Испарение воды при перегрева должно было обеспечить действенное охлаждение.
В полете
С 1982 по 1984 год было произведено шесть запусков аппаратов «БОР-4» посредством легкой двухступенчатой РН «Космос-3М» (К65М-РБ5) со стартовой площадки Капустин Яр. Аппараты, выводившиеся на орбиты ИСЗ высотой около 225 км, приобретали наименования спутников серии «Космос».
В орбитальном полете ориентация поддерживалась газореактивными двигателями. Горючим помогали азотный тетраксид и несимметричный диметилгидразин. В начале второго витка посредством сбрасываемого порохового двигателя «на пояснице» аппарата выдавался тормозной БОР — и «импульс-4» входил в воздух.
По окончании планирования и торможения в верхних слоях воздуха, пройдя участок плазмообразования, «БОР-4» на высоте 30 км вводился в крутую спираль для уменьшения скорости, и на высоте 7500 м выпускался парашют, снабжающий мягкое приводнение. Чтобы аппарат не утонул и его было несложнее найти, в верхней части аппарата надувался конический баллон с мигающим фонарем, в которого размешались антенны радиомаяка.
При первом «зачетном» запуске «БОР-4» выполнил 1,25 витка по орбите, вошел в воздух и приводнился в 560 км от архипелага Кокосовых островов в Индийском океане. При посадке аппарат промахнулся практически на 200 км, что и позвало обрисованную в начале статьи гонку. Его подобрали суда ВМФ СССР, сопровождаемые эскортом и кораблями слежения австралийских боевых судов, вертолётов и самолётов.
Следующий «БОР-4» (Космос-1445) кроме этого приводнился в районе Кокосовых островов. За его полетом замечали суда слежения АН СССР и корабль геодезической экспедиции «Чумикан». Кроме тихоокеанской эскадры в район Кокосовых островов опять пришли суда из Черного моря.
Члены экипажа «Чумикана» позднее вспоминали о степени секретности работ — были наглухо задраены все иллюминаторы, дабы ни один матрос не имел возможности заметить происходящих событий.
Мифический «Ураган»
Последний полет «БОР-4» был совершен в октябре 1987 года, но он взял собственную вторую, вымышленную судьбу на страницах зарубежной печати. На фото ВМС Австралии он не был похож на аппарат, предназначенный для «изучения верхних слоев воздуха», как его воображала официальная пропаганда в сообщениях ТАСС.
Зарубежным специалистам тяжело было высказать предположение, что запуски проводятся лишь с целью отработки теплоизоляции для другого орбитального корабля с принципиально другой аэродинамической компоновкой, похожей на американский шаттл. Разглядывая «БОР-4» как масштабную модель, специалисты приобретали ожидаемые характеристики «разрабатывавшегося» корабля, для вывода в космос которого прекрасно доходила новая советская РН «Зенит» (К11К77). Минобороны США кроме того поместило материалы о «новой советской космической программе», взявшей имя «Ураган», в агитационной брошюре «Советская военная мощь»!
А по окончании первого запуска ракеты-носителя «Энергия» 15 мая 1987 года чужестранцам стало ясно, что «Ураган» может выводиться и «Энергией», соответственно — иметь намного большие размеры и массу. Эту точку зрения проиллюстрировал германский издание «Freie Welt» в декабре 1987 года, опубликовав внешний вид гипотетической многоразовой совокупности «Энергия-Ураган». Примечательно, что «Буран» в действительности мог быть как раз таким, как его представил германский живописец, если бы Совет основных конструкторов во главе с В. П. Глушко в 1975 году принял предложение Г. Е. Лозино-Лозинского забрать за базу многоразового корабля проект «305−1», разрабатывавшийся на базе орбитального самолета «Спираль»!
Мелкие «Бураны»
Не считая отработки теплоизоляции при создании «Бурана» необходимо было проверить и его аэродинамическую компоновку. По уже отработанной на «БОР-4» методике со стартовой площадки Капустин Яр с 1983 по 1988 год было совершено шесть суборбитальных запусков аппаратов «БОР-5», воображавших собой геометрически подобную копию «Бурана» в масштабе 1:8.
Теплоизоляция на «БОР-5» принципиально отличалась от «БОР-4». «БОР-5» имел размеры в восьмеро меньшие, чем «Буран», и для сохранения аэродинамического подобия с орбитальным кораблем было нужно снизить высоты полета на 15−20 км относительно «оригинала», но при тех же скоростях. Это стало причиной возрастанию внешних тепловых необходимости и потоков применения теплоизоляции с предельными температурами до 2000оС.
Исходя из этого для «БОР-5» было ограничено полетное число Маха (до М=15), а большинство поверхности покрыта абляционной теплоизоляцией из материала МСП-К (рабочая температура 1700−1800оС) на базе кварцевого волокна и хром-алюминий-фосфатного связующего (минерального сте-клопластика). На этом же аппарате испытывалась радиопрозрачная теплоизоляция — стеклопластик с кремнеземным наполнителем.
К сожалению, постепенное свертывание, а после этого и полное закрытие программы «Буран» не разрешили совершить занимательные опыты по связи на плазменном участке спуска в воздухе, не смотря на то, что на базе «БОР-4» и был изготовлен «БОР-6» с охлаждаемыми антеннами, вынесенными в набегающий поток.
Но «БОРы» собственную основную задачу выполнили — они проложили «Бурану» дорогу в космос. Материалы полетов «БОР-4» легли в базу теплоизоляции «Бурана», первый полет которого состоялся 15 ноября 1988 года. В отличие от американцев мы обошлись фактически без утрат: в случае если Columbia в собственном первом полете 12 апреля 1981 года утратила около 30 плиток, то «Буран» — всего семь.
Из-за чего космические суда нагреваются при посадке?
При входе в плотные слои атмосферы молекулы набегающего воздуха сталкиваются с аппаратом. Наряду с этим аппарат тормозится: часть его энергии передается молекулам, разгоняя их до громадных скоростей. Температура напрямую связана с энергией перемещения молекул (пропорциональной квадрату их скорости).
Теоретически, в случае если обтекание имеет установившийся темперамент и тепло не попадает вовнутрь конструкции, температура поверхности будет близка к так называемой температуре адиабатического торможения. К примеру, при вхождении в воздух на высотах 11−25 км со скоростью М=2 (вдвое выше скорости звука) температура торможения 390 К приведёт к нагреву поверхности на 173 K, для скорости М=5 температура торможения 1300 К добавит к температуре поверхности уже 1083 K, а для скоростей М=10 температура торможения 4550 К нагревает лобовую поверхность до немыслимой температуры 4333 К!
На практике все сложнее. Переизлучение тепла нагретой обшивкой снижает ее температуру, но при перемещении в воздушной среде со сверхзвуковой скоростью перед аппаратом появляется ударная волна, в которой скорость перемещения молекул воздуха по отношению к движущемуся объекту скачкообразно изменяется со сверхзвуковой на дозвуковую. Не обращая внимания на крайнюю разреженность воздуха на громадных высотах, на космических скоростях входа в воздух температура окружающей среды во фронте ударной волны может быть около 28 000 К — в 9 раз выше, чем температура на поверхности Солнца!
Поверхность космического аппарата, находящаяся за ударной волной, нагревается меньше, но интенсивность нагрева значительно зависит от типа и шероховатости материала самой поверхности. Шероховатость воздействует на темперамент обтекания поверхности воздухом, определяя интенсивность трения, обусловленного вязкостью воздушного потока. Спокойное (ламинарное) обтекание приводит к умеренному нагреву, тогда как наличие неровностей приводит к интенсивному вихреобразованию, и поток делается турбулентным, повышая температуру поверхности еще на 150−200 градусов.
При столь большой температуре молекулы распадаются на заряженные ионы, образуя плазму, которая может химически взаимодействовать с материалом поверхности, изменяя его свойства и приводя к дополнительному нагреву.
Неспециализированная степень нагрева лобовых кромок и других выступающих частей космических аппаратов при спуске в воздухе значительно зависит от интенсивности торможения, обусловленной углом наклона траектории спуска, аэродинамическим местными углами и качеством аппарата атаки.
Статья размещена в издании «Популярная механика» (№27, январь 2005).
<
h4>