Путешествие в космос - Авиационно-космические системы США

Ракетоплан Х-15

В 1959 г. начались полеты экспериментальных самолетов Х-15А, оснащенных ракетными двигателями. Основной задачей испытаний этих ракетопланов являлось изучение условий полета на гиперзвуковых скоростях и входа в атмосферу крылатых аппаратов, оценка новых конструкторских решений, теплозащитных покрытий, психофизических аспектов управления ВКС в верхних слоях атмосферы и т.п.

В ходе запусков трех изготовленных ракетопланов, старт которых проводился с борта самолета В-52, были достигнуты рекордные для данного класса летательных аппаратов значения скорости (М=6,72) и высоты (108 км) полета. Первое достижение остается непревзойденным и поныне. Второе сместилось на вторую позицию лишь в октябре 2004 г.

Программа Х-15 стала вторым этапом проводившихся в США работ по освоению техники высокоскоростных полетов. В рамках первого этапа была разработана серия экспериментальных самолетов под общим (но не без исключений) обозначением «X». Каждый из таких аппаратов предназначался для исследования определенных проблем и отработки отдельных технологий. Среди первых скоростных самолетов, большая часть из которых оснащалась ракетными двигателями; следует упомянуть Х-1, на котором в 1947 г. впервые был преодолен сверхзвуковой барьер, D-558—2 Skyrocket, предназначавшийся для оценки стреловидного крыла с дозвуковым профилем, Х-3 и Х-2, использовавшиеся для исследования термодинамических нагрузок на скоростях М=2—3.

Вопрос о необходимости разработки нового экспериментального самолета, способного совершать гиперзвуковые полеты на высотах 20—80 км, стал обсуждаться военными и гражданскими специалистами в начале 1950-х годов. Побудительными мотивами к созданию нового ракетоплана, по своим характеристикам существенно превосходящего предшествующие модели, стали результаты анализа попавших к американцам материалов Э. Зенгера и И. Бредт по высокоскоростному стратегическому бомбардировщику.

Общая концепция проекта 1226, позднее названного Х-15, была утверждена в конце 1954 г. Программа с исходной стоимостью 163 млн долл. выполнялась совместными усилиями ВВС (общее руководство работами и их финансирование), ВМС (финансовое участие) и NACA (технический контроль и проведение летных испытаний).

В конкурсе на создание ракетоплана, способного развивать скорость до 2 км/с на высотах около 75 км, приняли участие четыре промышленных компании «Bell», «Douglas», «Republic» и «North American Aviation», ставшая в итоге победителем. Весьма нетипично по современным понятиям, но, узнав о выборе заказчиков, руководство фирмы «North American» (впоследствии приобретенная корпорацией «Rockwell»), несколько недель обдумывало целесообразность своего участия в проекте: компания была достаточно загружена по военным программам, а этот авангардный проект с объемом заказа в три изделия, жесточайшими техническими требованиями, новыми конструкционными материалами и методами производства сулил лишь головную боль. Тем не менее консенсус был достигнут.

Самолет Х-15А проектировался по схеме среднеплана с прямым трапециевидным крылом, оборудованным закрылками. Относительная толщина профиля крыла — 5%, передняя кромка с углом стреловидности 25° имеет радиус закругления 6 мм.

В качестве управляющих поверхностей использовались дифференциальный стабилизатор и два киля — основной и под-фюзеляжный — с поворотными концевыми секциями (закон-цовка нижнего киля перед посадкой отбрасывалась). Неподвижные секции килей оснащались тормозными щитками.

Поскольку частично полет самолета Х-15А должен был проходить за пределами атмосферы, то аэродинамическая система управления была дополнена реактивными двигателями ориентации и стабилизации, работающими на перекиси водорода. Блоки с 12 двигателями тягой 18—50 кг монтировались в носовой части аппарата и на законцовках крыла. Управление работой этих ЖРД осуществлялось с помощью отдельной ручки управления (всего их в кабине было три).

Пространственное положение ракетоплана контролировалось по показаниям инерциальных блоков. Первоначально самолеты оснащались системой наведения фирмы «Sperry Gyroscope», а позднее блоками компании «Honeywell», подготовленными для аппарата «Dyna Soar».

Для пилота, находившегося в герметизированной кабине, был разработан специальный высотный скафандр, полностью обеспечивающий условия жизнедеятельности. Таким образом, ракетоплан Х-15Астал своеобразным прототипом перспективных космических кораблей.

Силовая конструкция планера изготавливалась в основном из нержавеющей стали и титана, внешняя обшивка из жаропрочного никелевого сплава инконель (Inconel-X), способного выдерживать температуры от -184 °С до 650 °С. Около 65% сборочных соединений в конструкции выполнялось сваркой.

Наибольшие проблемы при разработке самолетов Х-15А возникли с созданием силовой установки. Проектированием кис-лородно-аммиачного двигателя XLR-99 с пустотной тягой 31,7т (на земле 25,8 т) занималась фирма «Reaction Motors» (подразделение компании «Thiokol»). Обеспечение требуемый характеристик (масса — 280 кг, повторный запуск, дросселирование тяги — до 40%) существенно задержали его поставку.

Поэтому во избежание срыва сроков начала летных испытаний аппаратов Х-15Абыло предложено на первых двух изделиях установить два четырехкамерных двигателя XLR-11 тягой по 3,6 т. Ранее эти ЖРД, работавшие на жидком кислороде и спирте, использовались на ракетоплане Х-1.

Сборка первого самолета Х-15Абыла завершена в октябре 1958 г. На торжественной церемонии передачи изделия заказчикам присутствовал вице-президент США Ричард Никсон (1913— 1994), поскольку на фоне успешных космических запусков в СССР данный проект стал вопросом национального престижа.

Подготовка к испытаниям ракетопланов Х- 15А длилась около года — первый планирующий полет после отделения от самолета-носителя аппарат совершил в июне 1959 г., а с запуском двигательной установки спустя три месяца. Для проведения летных испытаний аппаратов Х-15Абыли переоборудованы два бомбардировщика В-52. Ранее использовавшиеся^ для запусков экспериментальных моделей самолеты В-29 и В-50 уже не подходили по своим характеристикам. На самолете В-52 новые ракетопланы крепились под правом крылом на специальном пилоне.

Запуски аппаратов Х-15Апосле сброса с самолета-носите-ля над территорией шт. Невада проводились в юго-западном направлении с посадкой на базе Эдвардз (шт. Калифорния). Для обеспечения полетов выделялся воздушный коридор длиной 780 км и шириной 90 км с запасными аэродромами и PJIC, принимавшими информацию с борта ракетоплана (на самих аппаратах размещалось около 600 кг контрольно-измерительного оборудования, включая примерно 1000 датчиков давления, температуры и прочих параметров).

Отделение ракетоплана происходило на высоте примерно 13,5 км. Практически сразу же пилот включал маршевый двигатель. В зависимости от задач полета, длившегося 10—12 мин, траектория ВКС представляла собой либо «горку» (при достижении максимальных высот), либо имела горизонтальный участок для разгона модели на высоте около 30 км.

Уже на 15 полете (май 1960 г.) аппарат Х-15А, развив скорость 3377 км/ч, побил прежний неофициальный рекорд скорости, установленный в 1956 г. на ракетоплане Х-2. С начала 1961 г, после того как на аппаратах стал применяться штатный двигатель XLR-99, сложность испытаний резко возросла. В августе 1963 г. был установлен неофициальный рекорд высоты — 108 км.

(В соответствии с американскими правилами, летчикам совершившим полет на высоте свыше 80 км, присваивается звание астронавта.)

После трех лет испытаний NASA, решив большую часть аэродинамических задач программы, постепенно стало проводить на борту самолетов Х-15А прикладные и научные эксперименты. Тематика исследований была разнообразной: испытания теплозащиты для ракеты «Сатурн», отработка навигационного оборудования для программы «Аполлон», замеры плотности атмосферы, съемка звезд в ультрафиолетовом диапазоне, сбор микрометеоритов, исследования солнечного спектра и другие.

К 1964 г. объем данных по подобным исследованиям и экспериментам в интересах перспективных программ составил примерно 65% от всей целевой информации, полученной при запусках самолетов Х-15; а к 1968 г., когда их испытания были завершены, эта величина существенно возросла.

В 1962 г. был утвержден план мероприятий по подготовке одного из аппаратов Х-15Ак полетам со скоростью М=8. Для увеличения продолжительности активного участка второй летный образец, поврежденный при аварийной посадке, был оснащен подвесными топливными баками длиной 6,7 м и диаметром 0,96 м. После выработки запаса топлива массой 6,1 т и отделения от ВКС на высоте 21,6 км при скорости 0,61 км/с баки возвращались на землю с помощью парашютной системы.

Кроме того, центральная часть фюзеляжа модернизированного аппарата, получившего обозначение Х-15А-2, была удлинена на 0,73 м. В полученном дополнительном объеме были размещены баки для жидкого водорода, который предполагалось использовать при запусках экспериментального ПВРД. Сам двигатель должен был устанавливаться на месте подфю-зеляжного киля.

Ниже после характеристик базовой модели приведены показатели ракетоплана Х-15А-2:

— длина— 15,25 м, 15,98 м;

— высота — 3,96 м, 4,3 м;

— размах крыла — 6,7 м;

— площадь крыла — 18,6 м²;

— стартовая масса — 15,1 т, 25,4 т;

— «сухая» масса — 6,8 т, 8,3 т;

— продолжительность работы ЖРД — 80 с, 150 с.

Модель Х-15А-2 была облетана летом 1964 г. По результатам предварительных испытаний специалисты рассчитали максимально возможную скорость полета — М = 7,4 (для ее увеличения потребовались бы более сложные доработки конструкции планера и силовой установки).

Подготовка к скоростным полетам заняла около двух лет. Особое внимание уделялось созданию теплозащиты ракетоплана, поскольку нагрев передних кромок крыла прогнозировался на уровне 1040—1100 °С (против зарегистрированных ранее 716 °С).

По отдельному контракту с NASA компания «Martin» разработала абляционный материал MA-25S, представляющий собой силиконо-смоляную основу с наполнителем, активатором и стеклянной пудрой. Этим материалом, имеющим плотность 447 кг/м³, покрывалась с различной толщиной (0,4—7,6 мм) практически вся поверхность самолета площадью 111м².Низкие прочностные характеристики покрытия MA-25S не позволяли его использовать на передних кромках крыла и оперения. В этих местах устанавливались литые профили из материала ESA-3560, изготовленного на силиконовой основе со стеклотканью. Плотность этого вещества составляла 862 кг/м3. Общая же масса теплозащиты ВКС достигла 204 кг.

Выбор теплозащитных покрытий самолета Х-15А-2 предопределялся не только их техническими, но и эксплуатационными характеристиками. Одним из основных требований, предъявлявшихся к теплозащите, был непродолжительный период повторного нанесения материалов на изделие. Для покрытия MA-25S этот показатель составлял пять недель.

Однако практически теплозащита на аппарате Х-15А-2 использовалась только однажды — при запуске ракетоплана 3 октября 1967 г., когда была развита рекордная скорость 2020 м/с, соответствующая М=6,72 (вкл. 16).

В ходе этого полета на подфюзеляжном киле ракетоплана был подвешен макет перспективного ПВРД. Возникшие при его обтекании скачки уплотнения образовали в хвостовой части сложную аэродинамическую интерференцию, вызвавшую семикратный рост тепловых нагрузок. В результате этого (неизвестного ранее) эффекта наложения тепловых потоков от различных скачков уплотнения температура на передней кромке киля достигла 1650 °С. После скоротечного уноса абляционного покрытия и разрушения конструкции пилона макет двигателя был сорван, а в подфюзеляжном киле образовался прогар размерами 7,5x15,5 см, что привело к повреждениям коммуникаций хвостового отсека самого ракетоплана. Тем не менее пилоту удалось совершить нештатную посадку.

Проведенный анализ состояния самолета вынудил NASA и ВВС отказаться не только от дальнейших экспериментов с ПВРД, но и вообще от новых скоростных полетов. Восстановленный аппарат был передан в музей.

Также остались нереализованными планы оснащения одного из аппаратов Х-15А дельтавидным крылом большой стреловидности и с вертикальными законцовками (в такой конфигурации изделие несколько напоминало ВКС «Dyna Soar»). Для обеспечения скорости полета до М=8 предлагалось, как и в случае с моделью Х-15А-2, удлинить фюзеляж и использовать подвесные топливные баки.

Затем на базе этой модификации планировалось изготовить ракетоплан, рассчитанный на достижение скорости М=12. Его силовая установка должна была комплектоваться более мощным разгонным ЖРД, например кислородно-водородным J-2S — модернизированным вариантом двигателя с верхней ступени ракеты «Сатурн», а также ПВРД со сверхзвуковым горением. Отличительной особенностью последнего двигателя являлось то, что он в отличие от неудачно испытанного макета не монтировался на пилоне, а являлся составным элементом нижней части фюзеляжа (так называемая интегральная компоновка).

Несмотря на утрату одного из самолетов и гибель его пилота в 1967 г., программа Х-15 считается наиболее успешной из экспериментальных проектов. При запусках изделия были получены уникальные данные о гиперзвуковых режимах полета крылатых аппаратов. В частности, было установлено, что при гиперзвуковом обтекании в пограничном слое формируется турбулентный поток, а не ламинарный, как предполагалось ранее, при этом удельные тепловые потоки оказались несколько меньше расчетных; что поверхностное трение при сверхзвуковых скоростях также ниже теоретического значения; что крестообразное хвостовое оперение крайне затрудняет управление по крену при входе в плотные слои атмосферы с большими углами атаки, и многое другое.

Летные испытания самолетов Х-15 продемонстрировали широкие возможности пилотов по управлению высокоскоростными летательными аппаратами на всех этапах полета. В ряде случаев, эффективно используя ЖРД ориентации и аэродинамические исполнительные элементы, летчики осуществляли вход в атмосферу на скорости М=6 с углом наклона траектории -38° и при угле атаки аппарата 26°. Также успешно выполнялось маневрирование и управление энергией самолета на переходных режимах спуска и при посадке.

Наконец, полеты ракетопланов подтвердили возможность эффективной работы человека в условиях невесомости. Статистика начального периода испытаний свидетельствует, что в 13 из первых 44 запусков без вмешательства пилота (или срабатывания резервных систем) самолет неминуемо потерял бы управление.

Всего за весь период летных испытаний было осуществлено 199 полетов самолетов Х-15 (в стремлении завершить программу круглой цифрой было предпринято 11 безуспешных попыток очередного старта, однако большей частью из-за погодных условий двухсотый полет так и не состоялся). При 109 запусках ракетопланы развили скорость свыше М-5, при четырех испытаниях — свыше М — 6.

Полученные в ходе программы Х-15 данные широко использовались в последующих проектах, в том числе и при создании. МТКС «Спейс Шаттл», также проектировавшейся фирмой «North American». Более того, реально достигнутые при разработке и испытаниях ракетопланов характеристики стали основой для определения технических и эксплуатационных показателей перспективных многоразовых транспортных систем.

Так, например, на разработку и изготовление планера, а также на проведение летных испытаний было израсходовано 45% бюджета программы (163 млн долл. по курсу 1957 г.); на создание маршевого ЖРД — треть указанной суммы. В итоге удельная стоимость готового двигателя составила 13 024 долл./кг, планера— 4260 долл./кг, инерциальной системы наведения 10 375 долл./кг (для аналогичной системы аппарата «Dyna Soar» этот показатель определялся 14 724 долл./кг).

Затраты на проведение одного полета самолета Х-15А в среднем составили 602 тыс. долл., из которых около 270 тыс. долл. тратились на послеполетное обслуживание и ремонт изделия.

Продолжительность предстартовой подготовки, в которой было занято около 25 человек, менялась в пределах 20—40 дней. Большую часть времени (38%) занимало текущее обслуживание аппаратов, 12% уходило на ожидание хорошей погоды, 11% — на восстановительный ремонт конструкции (в основном шасси и остекления фонаря кабины), 7% — на ремонт двигательной установки.

Некоторые из приведенных значений были использованы NASA в качестве контрольных параметров при подготовке технического задания на разработку МТКС «Спейс Шаттл», начавшейся в 1970 г.

Шестидесятые же годы были полностью посвящены лунной программе. Поэтому работы по перспективным ВКС остались на уровне экспериментальных проектов, в ходе которых проводились запуски масштабных моделей, исследовались проблемы пилотирования аппаратов различных схем на сверх- и дозвуковых скоростях, создавались новые технологии...

<<<Назад Страница 34 Далее>>>

WalkInSpace.Ru

Правила:

«Путешествие в космос» © 2024

Использование материалов допускается при условии указания авторства WalkInSpace.ru и активной ссылки на www.WalkInSpace.ru.

Используются технологии uCoz