Теплозащита и Аэродинамика — пара нюансов, отделивших нас от Космоса19.02.2022 12:47

Пилотируемый орбитальный полёт, без сомнения, является наиболее захватывающим воплощением технического прогресса. Вот он — настоящий шаг человечества в космос. Повинуясь воле пилота корабля, многотонная машина минует звуковой барьер, выходит на «гиперзвук» и преодолевает притяжение матери-Земли. Или же на колоссальной скорости входит в атмосферу, элегантным манёвром гасит скорость и садится на штатную ВПП. Ну разве что немного потрясёт. Примерно так это выглядит в научно-фантастических фильмах, рассказывающих нам, как оно будет — и не имеет ничего общего с реальностью.

В реальности же дерзнувшего с равной вероятностью испепелит и размотает до винтиков весьма интересными эффектами планетной атмосферы, если он не предпримет заранее особые меры. Я постараюсь вам рассказать, как на самом деле решались две важнейшие задачи суборбитальной космонавтики — теплозащиты и аэродинамики — на примере испытательных прототипов проекта «Буран» — беспилотных орбитальных ракетопланов БОР-4 и БОР-5.

БОР-4

БОР-4 и проектирование теплозащиты

Как я уже говорил в прошлых своих статьях про «Спираль», при конструировании многоразовых космических кораблей ключевым вопросом остаётся создание достаточно эффективной теплозащиты, которая сможет предотвратить перегрев конструкции корабля и при этом не ухудшит его аэродинамические характеристики. Для небольших кораблей вроде советской «Спирали» вполне допустимо использование схемы «горячей конструкции». Я уже объяснял, что это, когда рассказывал об этом проекте, однако напомню кратко — горячая конструкция основана на принципе переизлучения тепла от горячих зон поверхности корабля на менее нагретые элементы. В случае «Спирали«для этого также используется пространственная ферма, которая, используя тепловое расширение, рассеивает нагрев, охлаждая всю конструкцию.

Однако для больших кораблей такая схема неприменима, так как она пожирает всё доступное ей свободное пространство, при этом усложняясь и требуя применения жаропрочных сплавов. Хуже того, площадь теплозащитного экрана (ещё одного важного элемента горячей конструкции, принимающего на себя основную тепловую нагрузку) растет пропорционально квадрату линейных размеров машины, а его масса — пропорционально их кубу!

Следовательно, для «Бурана» необходимо было применять обычную самолётную конструкцию из «холодных» материалов, не рассчитанных на высокие температурные нагрузки. К ним добавлялось теплозащитное покрытие, которое должно было одновременно обеспечивать приемлемый нагрев фюзеляжа и внутренних силовых конструкций корабля, одновременно будучи максимально ровным, чтобы воздух обтекал машину максимально спокойно, не образовывая завихрений. Такое обтекание ещё называют ламинарным. Ламинарное обтекание позволяет снизить температуру поверхности ещё на 150–200 градусов, что критически важно, поскольку эти градусы «выигрываются» в температурном диапазоне 1500–1700 градусов, в котором находятся пределы прочности основных конструкционных материалов. Применяются и другие ухищрения, основанные на переизлучении тепла и реакциях на атомарном уровне.

Если предельно упростить, то происходит следующее. Корабль, входя в атмосферу, сталкивается со встречным потоком воздуха, состоящим из молекул азота и кислорода. Перед лобовой поверхностью идущего на гиперзвуковой скорости корабля создаётся ударная волна, встречный поток в ней резко тормозится до дозвуковой скорости. При этом кинетическая энергия этого потока частично тратится на нагрев встречного потока (то есть происходит переход кинетической энергии в тепловую), а частично — на разрыв молекул азота и кислорода. При этом получившийся поток осколков молекул воздуха уже частично охлаждается (тепловая энергия переходит в так называемую энергию диссоциации). Потом этот поток наталкивается на «холодную» относительно ударной волны поверхность корабля, молекулы вновь соединяются, и выделившаяся при этом энергия нагревает эту самую поверхность. При этом скорость «сборки» молекул (научно этот процесс называется рекомбинацией) зависит от свойств поверхности, на которой она происходит. Это влияние называется каталитичностью. И если рекомбинацию замедлить достаточно, то она пройдёт не на наиболее нагретых лобовых кромках, а дальше. Грамотное использование каталитичности позволяет выиграть несколько сотен градусов в самых горячих зонах: на носовом коке (300–400 градусов), кромках крыла и нижних поверхностях крыла и фюзеляжа (ещё около 100 градусов).

Советские конструкторы пользовались данными о Space Shuttle, но также и собственными наработками. Учитывая, что в различных зонах поверхности огромного корабля ожидались различные температуры, предстояло разработать и различные типы теплозащитных покрытий, доселе в СССР не существовавших. Для наиболее горячих зон (носовой кок, передние кромки крыла, температура 1250–1650 градусов) был создан углерод-углеродный материал «Гравимол-В», состоящий из различных видов пластиков и углепластиков, дополненных пироуглеродами или особым песком и защитными покрытиями. Этот материал очень плотный, поэтому невозможно полностью покрыть им корабль, потому что тогда масса покрытия составила бы 40 тонн в случае «Бурана»! Поэтому в менее горячих зонах применялись различные типы керамических плиток из волокон двуокиси кремния и аморфного кварца, а также матов из более дешёвых и простых в изготовлении термостойких волокнистых материалов.

Конечно, наземные испытания в аэродинамических трубах позволяли провести определённые эксперименты, однако настоящая проверка была возможна только при орбитальном полёте. Помня об опыте аппаратов БОР, использовавшихся для испытаний Спирали, в НПО Молния приняли решение построить небольшой беспилотный аппарат, на котором можно было бы изучить и каталитичность, и работу плиток, и различные варианты их раскроя (то есть способа наклейки плиток на машину).

Частично собранный БОР-4

Так появился БОР-4. Конечно, в его задачи входило не только испытание теплозащиты, однако именно это было главной целью всей программы. При проектировании учитывался опыт первых беспилотных орбитальных ракетопланов, однако распространённое в ряде источников мнение о том, что БОР-4 — это адаптированная под «Буран» копия «Спирали» неверно. На самом деле в НПО Молния и ЦАГИ рассчитывали в первую очередь на то, чтобы проверить, как себя будут распределяться тепловые потоки на носу и первых рядах теплозащитных плиток «Бурана» на гиперзвуковых скоростях.

Лозино-Лозинский поставил задачу полного соблюдения тепловых потоков на носовую поверхность «Бурана» и БОРа-4 в наиболее теплонапряженной траекторной точке, которая для орбитального корабля располагалась на высоте чуть ниже 70 км при скорости М= 23. Расчет Лозино-Лозинского был прост: если удастся проверить теплозащиту в «бурановской» натурной траекторной точке с максимальными тепловыми потоками, то для всех других участков траектории можно уже не беспокоиться. Сложность задачи была в том, что для получения таких же тепловых потоков в той же самой точке траектории модель меньшего размера не могла иметь просто масштабно уменьшенную форму орбитального корабля — в этом случае из-за свойств вязкости воздушного потока не удалось бы достичь полного аэродинамического подобия.

В.Лукашевич, И.Афанасьев, «Космические крылья»

Многодневные поиски решения задачи привели к простой и оттого гениальной находке. Заместитель начальника ЦАГИ Владимира Нейланд и заместитель главного конструктора НПО «Молния» по аэродинамике Евгений Самсонов решили взять за основу простой советский натурный нос «Бурана» и добавить к нему заднюю часть, способную к самобалансировке. Именно таким свойством обладали БОРы, построенные для «Спирали», а потому Самсонов, знавший о тех работах, смог довольно быстро уже имевшиеся расчёты адаптировать под нос «Бурана». Его имитировала сфера такого же радиуса. Именно поэтому БОР-4 внешне схож со Спиралью, хотя на самом деле не имеет к ней никакого отношения, как не имеет прямого отношения к БОР-1, -2 и -3.

Конструктивно-компоновочная схема БОРа-4: 1 — носовой теплозащитный обтекатель из жаропрочного углерод-углеродного композитного материала «Гравимол»; 2 — электрохимический источник тока (аккумулятор); З — топливный бак для газореактивных ЖРД с компонентами топлива азотный тетраоксид + несимметричный диметилгидразин (АТ+НДМГ); 4 — парашютная система спасения; 5 — блоки автономной бортовой системы управления (и навигации); 6 — блоки радиотелеметрической системы; 7 — научная аппаратура; 8 — силовой привод поворотных консолей крыла; 9 — поворотные (складывающиеся) консоли крыла; 10 —хвостовой стабилизатор (киль); 11 — два блока (по два ЖРД) двигателей газореактивной системы для управления по крену; 12 — центральных блок из четырех газореактивных ЖРД для управления по тангажу и рысканью; 13 — хвостовой силовой шпангоут, которым аппарат крепится к последней ступени ракеты-носителя; 14 — двигательная арматура.

Конструкционно БОР-4 похож на своих предшественников, однако для нас важно устройство его теплозащиты. Снаружи на корпус аппарата сперва наносилась абляционная (то есть уносимая) теплозащита. Её задача состояла в том, чтобы защитить машину на случай прогара теплозащиты экспериментальной, то есть пресловутых плиток и «Гравимола». Абляционная теплозащита устанавливается на одноразовые космические корабли, поскольку она, обычно, способна выдерживать большие температуры. Однако работает она за счёт того, что при нагреве происходит её расплавление и частичный унос потоком с корпуса. Благодаря этому корпус корабля меньше подвергается нагрузкам. Однако такая защита обычно может выполнить свою задачу лишь единожды и после этого не подлежит восстановлению.

Имитация предполетных испытаний БОРа-4 в криотермовакуумной барокамере НПО «Молния» при съемках фильма «Космическая Спираль» для «Первого канала», март 2007 г. БОР-4 размещен на подвижном лафете, который подается внутрь барокамеры по рельсовым направляющим. Именно так в 1980-х годах и проходили предполетные испытания всех аппаратов БОР-4 и БОР-5.

Самый первый БОР-4 (а точнее БОР-4С) плиток не получил и в своём полёте повторял программу полётов БОР-3. Это был суборбитальный полёт, в котором проверялась управляемость машины и правильность конструкторских решений. Остальные четыре машины получили плитки и совершили полноценные орбитальные полёты. И вот о том, как происходили сами эти полёты, мы поговорим завтра.

БОР-5 и аэродинамические испытания

Второй необходимой для отработки задачей была аэродинамика «Бурана». Для её проверки уже необходимо было строить аппарат, аэродинамически подобный орбитальному кораблю. Им стал БОР-5. По ряду причин было принято решение работать с масштабом 1:8. Однако даже в этом масштабе всё равно не удавалось полноценно уместить аппарат на имеющуюся ракету-носитель — он попросту имел слишком большой размах крыла. Машину в итоге упрятали в обтекатель, но конструкторы всё-таки рассчитали такой переходный отсек между ракетопланом и РН, что выходящие за габарит крылья оказывали минимальное влияние на полёт. Считалось, что такая схема мало того, что упростит и удешевит проект, но и поможет при проектировании будущей лёгкой многоразовой космической системы. Запомним этот момент.

Исходя из этих цифр можно понять различие в задачах между БОР-4 и БОР-5

Не буду углубляться в конструктивные особенности БОР-5, отмечу лишь самые важные моменты.

Во-первых, ракетоплан оснастили абляционной теплозащитой. Связано это было с уменьшением размера аппарата. Дело в том, что у настоящего «Бурана» теплозащита кромок крыла и так работала на пределе своих возможностей, а на уменьшенной модели кромки становились ещё тоньше, что повышало температурные нагрузки, а потому углерод-углеродные материалы уже просто не справились бы. Теплозащита была выполнена из материала МСП-К на основе кварцевого волокна и хром-алюминий-фосфатного связующего (минерального стеклопластика). Начиная с третьей машины она была дополнена элементами из вольфрамо-молибденового сплава (для самых горячих зон) и радиопрозрачными элементами из стеклопластика с кремнеземным наполнителем. Кроме того, ограничили максимальную скорость и высоту полёта.

Во-вторых, аппарат, аэродинамически подобный «Бурану», имел даже имитаторы мотогондол (в них располагались приборные отсеки) для реактивных двигателей для полётов в атмосфере. Вообще по-возможности систему управления максимально приближали к бурановской. Всё это сыграло свою роль в ходе полётов.

Всего полётов было пять. Первый завершился оглушительным провалом — БОР-5 №501 был потерян и не выполнил своих задач (а ведь это были лётно-конструкторские испытания).

Аппарат не отделился от ракеты-носителя <…>. Разделение БОРа-5 и ракеты не произошло из-за досадной ошибки, допущенной при сборке на полигоне: были перепутаны электрические контакты, из-за чего после выдачи ракетой-носителем команды на борт БОРа-5 в виде напряжения+ 27 вольт она воспринималась на борrу как-27 вольт. В результате команда не прошла, пироболты, соединяющие БОР-5 с РН, не сработали, и аппарат продолжил совместный полет с ракетой по баллистической траектории. Ошибка была заложена в электрической схеме самого аппарата и при предстартовой отработке не обнаружилась, так как во время испытаний на полигоне команда на разделение проходила от наземного пульта, где полярность соответствовала электрической схеме БОРа-5, а не ракеты-носителя.

В.Лукашевич, И.Афанасьев, «Космические крылья»

БОР-5 №502 в Монино

Второй полёт прошёл лучше — БОР-5 №502 выполнил свои задачи. Однако испытатели обнаружили серьёзные прогары теплозащиты в самых горячих зонах — на кромках крыльев и носовом коке. Именно поэтому пришлось её усиливать. На БОР-5 №503 прогоревшие элементы были изготовлены из молибдена, и на сей раз всё прошло штатно. Впрочем, при транспортировке аппарат был повреждён. Ко всему прочему выяснилось, что молибден всё-таки оплавился слишком сильно, поэтому для четвёртого аппарата решили применять вольфрамо-молибденовый сплав.

В ходе полёта БОР-5 №504, состоявшегося 27 августа 1987 года (то есть чуть больше чем за год до полёта «Бурана»), было принято решение проверить способность машины к маневрированию на гиперзвуковых скоростях. И вот здесь вскрылся ряд проблем. Когда машина находилась на этапе гиперзвукового планирования, ей была подана команда на отклонение от курса. Система управления справилась с этим, однако после возвращения в нейтральное положение ракетоплан продолжил отклоняться от курса, но теперь уже в другую сторону. Система управления справилась и с этим, однако №504 отказывался лететь прямо, и отклонение от курса стало самоподдерживающейся. Иначе говоря, аппарат слушался рулей, но при этом был чудовищно неустойчив, хотя до этого всё было в порядке. Приземление прошло штатно, но радости конструкторы от этого не получили, только огромную головную боль.

Для «Бурана» была выбрана аэродинамическая схема бесхвостка. Её выбор (а также отсутствие возможности менять положение крыльев) в случае «Бурана» привёл к невозможности сделать корабль статически устойчивым по каналу курса-рысканья к боковому возмущению (например, боковому ветру) из-за дестабилизирующего влияния носовой части и аэродинамической тени, в которой оказывался киль (большая вертикальная плоскость в хвосте) с рулями направления при больших углах атаки. То есть если, например, из-за сильного бокового ветра нос корабля повернётся, то сам он в исходное положение не вернётся, потребуется реакция системы управления. И если её скорость реакции будет недостаточной или руль направления окажется неэффективным (а в аэродинамической тени это очень вероятно), то корабль может потерять управление и начать кувыркаться. Дальнейшие последствия понятны.

В помощь должны были прийти элевоны (не путайте с элеронами). Это управляющие поверхности на крыле, которые у бесхвосток являются одновременно и рулями высоты, и органами управления крена. У обычных самолётов механизация на крыле (если предельно упростить) управляет только креном (такие управляющие поверхности называют элеронами), а рули высоты вынесены в хвост.

Элевоны на сверх- и гиперзвуковых скоростях при определённых углах атаки начинают работать в обратную сторону относительно дозвукового полёта, что приводит к тому, что корабль начинает вращаться в противоположную от ожидаемого направления сторону. Поэтому на «Буране» элевоны на этих режимах должны были использоваться только в качестве элементов дополнительной стабилизации, помогая килю. Таким образом, управлять по рысканью можно было не только с помощью рулей направления, но и с помощью элевонов, которые должны были парировать любые боковые возмущения. Таким образом должна была быть достигнута стабилизация по курсу в любых условиях.

Однако на БОР-5 №504 этого не произошло! Наоборот, ракетоплан стал сам по себе вращаться! И хотя система управления успешно предотвращала катастрофическое развитие событий, но стабилизировать машину не получалось. Решить проблему можно было увеличением площади элевонов и рулей направления. Однако как это сделать, если вся аэродинамика рассчитана и финализирована, до пуска год, а первый корабль уже два года как собран и проходит испытания на Байконуре, в то время как на заводе ведётся сборка второго и закладка третьего корабля?!

Слева направо: «Буран» с закрытыми сворками-заглушками мотогондол; с открытыми створками (режим атмосферного полёта); финальный «Буран» без мотогондол

И тут конструкторы взглянули на те самые мотогондолы для двигателей атмосферного полёта. Они располагались у основания киля, а значит если их убрать, то эта зона не будет затенена, а значит рабочая площадь увеличится. Однако и здесь была проблема — ведь чем больше площадь, тем большие аэродинамические нагрузки она испытывает. Как уже говорилось, первый «Буран» был давно готов, поэтому было принято решение его допустить к полёту с ограничениями по боковому манёвру, а начиная со второй машины провести работы по усилению киля. Ну и естественно отказаться от установки мотогондол и двигателей. Что ж, придётся отказаться от возможности уйти на второй круг, но в итоге сохранить безопасность машины.

БОР-5 №505 в Техническом музее в немецком Шпайере

Проверка гипотезы была возложена на БОР-5 №505. И машина не подвела, сработав как надо. Пуск состоялся 22 июня 1988 года — за четыре месяца до запланированного полёта большого корабля — и прошёл полностью успешно. А уже в ноябре того же года космический корабль многоразового использования «Буран» отправился в свой единственный полёт. Об этом полёте я уже писал недавно, а завтра расскажу о не менее сложных инженерно-технических задачах, связанных с поимкой «крылатых метеоритов».

Автор: Александр Старостин

© Habrahabr.ru