Проект "Энергия-Буран". История советского шаттла. (часть 1)
Рождение проекта.
В 1974 г. Политбюро приостановило работы по носителю Н-1 и образовало из ЦКБЭМ, проектировавшего эту машину, и двигательного КБ Глушко новое научно-производственное объединение "Энергия", назначив Валентина Петровича Глушко его генеральным директором и генеральным конструктором. При этом обязало его подготовить в течение трех месяцев соответствующее техническое обоснование своей программы.
Заветной мечтой патриарха нашего ракетного двигателестроения академика В.П.Глушко являлось изготовление самого мощного в мире жидкостного двигателя тягой порядка 740 тс. Однако все попытки получить на него заказ от ракетных конструкторов Королева, Челомея и Янгеля терпели крах в силу различных причин.
Программа академика выглядела простой, технологически рациональной и красивой. И была, естественно, более совершенной, чем "королевская". Можно было только сожалеть о запоздалом ее рождении. Она предусматривала создание трех двухступенчатых ракетоносителей пакетной схемы различной грузоподъемности. Грузоподъемность менялась посредством изменения числа ускорителей, располагаемых вокруг центрального блока, служившего второй ступенью.
Главный конструктор ракеты "Энергия" В.П.Глушко
Ракета с двумя ускорителями РЛА-110 ("Гроза") обладала грузоподъемностью большей, чем у "Протона", а с четырьмя РЛА-120 (названная впоследствии "Энергией") - соответствовала грузоподъемности Н-1. Носитель с восемью ускорителями РЛА-130 ("Вулкан") предназначался для доставки станции и космонавтов на Луну. При этом пуски всех носителей осуществлялись с одного стартового сооружения, построенного для Н-1.
Министерству обороны новые тяжелые ракеты-носители не требовались. Военных стратегов обескуражил отказ американцев от дальнейшей эксплуатации своего хорошо отработанного семейства ракет-носителей "Сатурн" (после выведения орбитальной станции "Скайлэб") ради создания многоразовой транспортной космической системы "Шаттл". И они сумели убедить Л.И.Брежнева в необходимости придерживаться принципа симметричного ответа в космосе. Значит, и нам нужно проектировать подобную систему, которая могла бы забрасывать на орбиту Земли ядерное оружие и снимать его с дежурства. Узнав, что база на Луне обойдется в не один десяток миллиардов рублей, Брежнев наложил "вето" на проект "Вулкан". Ошарашенный таким неожиданным поворотом событий, Глушко ушел в отпуск. В указанной системе (по типу американского "Шаттла"), состоявшей из крылатого ракетоплана многократного применения, оснащенного кислородно-водородными двигателями и огромным подвесным сбрасываемым топливным баком, к которому присоединялись два мощных спасаемых твердотопливных ускорителя, не было места для его двигателя.
Рейтинг академика в КБ мгновенно упал до нуля. Поползли слухи о возможной его отставке и ликвидации объединения после выхода постановления о разработке упомянутой системы. Также пошли слухи о возможном возобновлении пусков Н-1. Они подкреплялись торопливостью министра общего машиностроения СССР А.С.Афанасьева подготовкой проекта такого постановления, которое не затормозила даже внезапная болезнь исполняющего обязанности генерального конструктора Ю.Н.Труфанова накануне его прибытия в КБ. Афанасьев привлек к составлению этого проекта И.Н.Садовского, занимавшегося в КБ пороховыми ракетами, намериваясь назначить его главным конструктором новой системы, названной "Бураном".
Глушко возвратился из отпуска с продуманным планом спасения программы. Прежде всего, он дезавуировал визу Садовского на проекте постановления, заявив о необходимости его более тщательной подготовки без спешки, показав этим, что слухи о его капитуляции сильно преувеличены. Затем предложил вместо ракетоплана сделать крылатый многоразовый орбитальный корабль такой же грузоподъемности и выводить его ракетой-носителем "Энергия". Дементьев поддержал эту идею, опираясь на мнение ЦАГИ о целесообразности применения однотипных средств посадки корабля и ускорителей, поскольку последние у нас падают на Землю, а не на воду, как у американцев. При этом он считал, что следует максимально использовать имеющийся опыт по вертикальной посадке космических аппаратов с космонавтами.
Министр обороны А.А.Гречко в принципе не возражал против подобной компоновки системы, а том числе и против применения жидкостных двигателей на ускорителях вместо твердотопливных, но при условии обеспечения их повторного использования. Таким образом, Глушко удалось связать судьбу своей программы с решением проблемы "мягкой" посадки ускорителей системы "Буран", в частности, с обеспечением торможения сверхзвуковой скорости падения тяжелых громоздких объектов и их применения без повреждения конструкции.
Глеб Евгеньевич Лозино-Лозинский (1909-2001) Доктор технических наук, Герой Социалистического Труда (1975), лауреат Ленинской (1962) и Сталинских (1950, 1952) премий, Генеральный конструктор ОАО НПО «Молния», генерал-майор (1999).
Создание планера корабля (грузоподъемностью около тридцати тонн) министр авиационной промышленности СССР Дементьев, к удивлению, поручил слабенькому КБ Тушинского завода. Поставил во главе его Г.Е.Лозино-Лозинского (заместителя главного конструктора А.И.Микояна), занимавшегося когда-то орбитальным самолетом "Спираль". Так как ему, естественно, требовалось много времени на организацию соответствующего грандиозной задаче научно-производственного объединения (названного "Молнией"), возникло сомнение в том, что корабль будет сделан в нужный срок. Оно способствовало консолидации мнений всех лиц, ответственных за реализацию проекта в целом. И практически никто из них не протестовал по поводу решения генерального конструктора не ставить двигатели на корабль. Устраивало такое решение и минавиапром, поскольку заметно снижало посадочную массу планера, что упрощало его разработку
Энергичный, хорошо знающий технологию проектирования самолетов, Лозино-Лозинский сумел быстро создать работоспособное ядро "мозгового центра", которое показало свои когти наспех организованному Садовским проектному отделу по кораблю, возглавляемым П.В.Цыбиным. Их первое столкновение произошло при выборе формы корабля. Вполне понятно, что Лозино-Лозинский и стоящее за его спиной ЦАГИ стремились сделать ее подобной форме "Спирали", уже экспериментально отработанной ими в области дозвуковых скоростей полета. Садовский с Цыбиным, исходя из здравого смысла, считали целесообразным не "изобретать велосипед", а придать кораблю форму американского ракетоплана "Шаттл" и не тратить тем самым два года, потребовавшихся американцам на обеспечение его устойчивости и управляемости при спуске с орбиты Земли.
Г.Е. Лозино-Лозинский докладывает министру обороны Д.Ф.Устинову о работе над "Бураном". Конец 1970-х
Эскизный проект был завершен в декабре 1976 г. Выглядел он весьма солидно. Только НПО "Энергия" представило экспертной комиссии 88 томов. Бурное его обсуждение протекало лишь на секции корабля по проблеме обеспечения безопасности экипажа, поскольку представители минавиапрома заботились, в основном, вопросами спасения "Бурана" при аварии ракеты-носителя "Энергия", а представители минобщемаша - вопросами спасения космонавтов при аварии корабля. Лозино-Лозинский официально заявил, что он вообще не знаком с проектом системы, поскольку не все его тома были присланы на "Молнию".
Председатель секции главный конструктор КБ по космическим аппаратам В.М.Ковтуненко лишь пожимал плечами: "Повторяем ошибку! Делаем систему под ничто!. Короче говоря - была бы телега, груз всегда найдется!" Видимо, полагал, что вся программа - есть не что иное, как стремление продемонстрировать любой ценой миру, что мы не хуже американцев и можем сделать такой же, как у них, флот многоразовых орбитальных кораблей, хотя он вам и не очень нужен. Но его никто не слушал. Глушко учел все замечания, и в ноябре 1977 г. вышло постановление Правительства о создании сверхтяжелой ракеты-носителя "Энергия" и корабля "Буран".
Ракета-носитель "Энергия"
Ракета выполнена по двухступенчатой пакетной схеме. Первую ступень составляют четыре боковых блока с кислородно-керосиновыми четырёхкамерными двигателями РД-170, возвращаемые на Землю с помощью парашютов. Ресурс модулей первой ступени составляет около 10 запусков. Блоки являются доработкой первой ступени ракеты-носителя «Зенит».
Центральный блок оснащен четырьмя кислородно-водородными двигателями РД-0120 и является несущей конструкцией. Используется боковое крепление груза и ускорителей. Работа двигателей первой ступени начиналась со старта и, в случае двух выполненных полетов, завершалась до момента достижения первой космической скорости.
Стартовая масса «Энергии» — около 2400 тонн. Ракета (в варианте с четырьмя боковыми блоками) способна вывести на орбиту около 100 тонн полезного груза — в 5 раз больше, чем эксплуатируемый носитель «Протон». Также возможны, но не были испытаны, варианты компоновки с двумя («Энергия-М»), с шестью и с восемью («Вулкан») боковыми блоками, последний — с рекордной грузоподъёмностью до 200 тонн.
Система автономного управления РН "Энергия" на базе бортового цифрового вычислительного комплекса обеспечивает высокую точность выведения полезного груза в заданную область и широкие возможности РН по выходу из нештатных ситуаций, в том числе и при отказе одного из двигателей РН. Высокая степень автоматизации позволила учесть возможность многих нештатных ситуаций - выход из них заранее заложен в программы. Иными словами пятьсот нештатных ситуаций превратились в штатно-заложенные. В самых сложных нештатных ситуациях автоматика приводит ракету в безопасное состояние, и она останется в нем, пока не будет принято необходимое решение.
Система пожаро- и взрывопредупреждения предназначена для повышения безопасности работ на стартовой позиции и предупреждения взрыва РН в полете при аварийных утечках водорода и кислорода из центрального блока. Система аварийной защиты двигателей РН контролирует их параметры в процессе запуска и работы и позволяет произвести выключение аварийного двигателя до его разрушения, а при некоторых условиях - и выключение диаметрально противоположного двигателя, нормально работающего. Все это предупреждает развитие аварии на борту РН и позволяет продолжить управляемый полет.
Сборка ракеты в пакет, ее транспортировка на специальном агрегате-установщике из монтажно-испытательного корпуса на стартовую позицию, обеспечение силовых, пневмогидравлических и электрических связей с пусковым устройством ведутся с использованием переходного стартово-стыковочного блока (ступень "Я"), который после пуска ракеты остается на стартовом комплексе и может использоваться повторно.
Подготовка ракеты-носителя "Энергия" в монтажно-испытательном корпусе космодрома.
Благодаря прнятым мерам повышения надежности и обеспечения живучести (резервирование основных жизненно-важных систем и агрегатов, включая маршевые двигатели, рулевые приводы, турбогенераторные источники электропитания, пиротехнические средства, разработка комплекса автономного управления с поэлементным и схемным резервированием, установка специальных средств аварийной защиты, обеспечивающих диагностику состояния маршевых двигателей обеих ступеней и своевременное отключение аварийного агрегата при отклонениях в его работе, применение эффективных систем предупреждения пожара и взрыва) при возникновении нештатной ситуации ракета может продолжать управляемый полет даже с одним выключенным маршевым двигателем первой или второй ступени. В нештатных ситуациях при запуске пилотируемого орбитального корабля конструктивные меры, заложенные в ракете, позволяют либо обеспечить выведение корабля на ниэкую "одновитковую" траекторию полета по орбите искусственного спутника Земли с последующей посадкой на один из аэродромов, либо осуществить маневр возврата на активном участке выведения с посадкой корабля на полосу, расположенную вблизи стартового комплекса.
Многоразовый орбитальный корабль "Буран" (изделие 11Ф35)
Орбитальный корабль (ОК) "Буран" выполнен по самолетной схеме: это "бесхвостка" с низкорасположенным треугольным крылом двойной стреловидности по передней кромке; аэродинамические органы управления включают элевоны, балансировочный щиток, расположенный в хвостовой части фюзеляжа, и руль направления, который, "расшепляясь" по задней кромке, выполняет также функции воздушного тормоза; посадку "по-самолетному" обеспечивает трехопорное (с носовым колесом) выпускаюшееся шасси.
В носовой части "Бурана" расположены герметичная вставная кабина объемом 73 кубических метров для экипажа (2 - 4 чел.) и пассажиров (до 6 чел.), отсеки бортового оборудования и носовой блок двигателей управления.
Кабина космического корабля "Буран"
Среднюю часть занимает грузовой отсек с открывающимися вверх створками, в котором размещаются манипуляторы для выполнения погрузочно-разгрузочных и монтажно-сборочных работ и различных операций по обслуживанию космических объектов. Под грузовым отсеком расположены агрегаты систем энергоснабжения и обеспечения температурного режима. В хвостовом отсеке установлены агрегаты двигательной установки, топливные баки, агрегаты гидросистемы. В конструкции "Бурана" использованы алюминиевые сплавы, титан, сталь и другие материалы. Чтобы противостоять аэродинамическому нагреванию при спуске с орбиты, внешняя поверхность ОК имеет теплозащитное покрытие, рассчитанное на многоразовое использование.
На менее подверженную нагреву верхнюю поверхность устанавливается гибкая теплозащита, а другие поверхности покрыты теплозащитными плитками, изготовленными на основе волокон кварца и выдерживающими температуру до 1300ºС. В особо теплонапряженных зонах (в носках фюзеляжа и крыла, где температура достигает 1500º - 1600ºС) применен композиционный материал типа углерод-углерод. Этап наиболее интенсивного нагревания ОК сопровождается образованием вокруг него слоя воздушной плазмы, однако конструкция ОК не прогревается к концу полета более чем до 160ºС. Каждая из 38600 плиток имеет конкретное место установки, обусловленное теоретическими обводами корпуса ОК. Для снижения тепловых нагрузок выбраны также большие значения радиусов затупления носков крыла и фюзеляжа. Расчетный ресурс конструкции - 100 орбитальных полетов.
Объединенная двигательная установка (ОДУ) обеспечивает довыведение ОК на опорную орбиту, выполнение межорбитальных переходов (коррекций), точное маневрирование вблизи обслуживаемых орбитальных комплексов, ориентацию и стабилизацию ОК, его торможение для схода с орбиты. ОДУ состоит из двух двигателей орбитального маневрирования (на рис.справа), работающих на углеводородном горючем и жидком кислороде, и 46 двигателей газодинамического управления, сгрупированных в три блока (один носовой блок и два хвостовых). Более 50 бортовых систем, включающих радиотехнические, ТВ и телеметрические комплексы, системы жизнеобеспечения, терморегулирования, навигации, энергоснабжения и другие, объединены на основе ЭВМ в единый бортовой комплекс, который обеспечивает продолжительность пребывания "Бурана" на орбите до 30 суток.
Космический корабль многоразового использования "Буран" на внешней подвеске самолета АН-225 "Мрия"
Длина "Бурана" составляет 35,4 м, высота 16,5 м (при выпущенном шасси), размах крыла около 24 м, площадь крыла 250 квадратных метров, ширина фюзеляжа 5,6 м, высота 6,2 м; диаметр грузового отсека 4,6 м, его длина 18 м. Стартовая масса до 105 т, масса груза, доставляемого на орбиту, до 30 т, возвращаемого с орбиты - до 15 т. Максимальный запас топлива до 14 т.
Большие габаритные размеры "Бурана" затрудняют использование наземных средств транспортировки, поэтому на космодром он (так же, как и блоки РН) доставляется по воздуху модифицированным для этих целей самолетом ВМ-Т Экспериментального машиностроительного завода им. В.М.Мясищева (при этом с "Бурана" снимается киль и масса доводится до 50 т) или многоцелевым транспортным самолетом Ан-225 в полностью собранном виде.
При спуске с орбиты корабль входит в плотные слои атмосферы со скоростью в 25-28 раз большей скорости звука и гасит ее за счет сопротивления воздуха. Посадка происходит на основную посадочную полосу космодрома Байконур (или одну из двух запасных в других районах) длиной 5,5 км и шириной 84 м, при посадочной скорости 310-340 км/час.
Использована информация:
http://www.buran.ru/htm/homepage.htm
Авиация и космонавтика N 1 2002 года Как родился проект "Энергия-Буран"