Космическая авиация. Из атмосферы – в космос. Воздушно-космический самолет – транспорт будущего Из атмосферы – в космос. Воздушно-космический самолет – транспорт будущего

Открытие обновленного павильона «Космос» (№ 32-34) на ВДНХ приурочили ко Дню космонавтики. На церемонии присутствовал президент Российской Федерации.

В павильоне начал свою работу крупнейший экспозиционный музей — Центр «Космонавтика и авиация». Внутри удалось восстановить оригинальные мозаики на стенах. Под куполом смонтирована пятиконечная люстра-звезда (копия звезды Троицкой башни Москвовского Кремля). Около 1500 специалистов участвовали в процессе реконструкции.

История павильона «Космос»

На первой Выставке достижений народного хозяйства павильон носил название «Механизация». Его задачей было показать успехи в развитии сельскохозяйственной техники. На двух этажах ангара демонстрировались тракторы, комбайны, плуги и т. п. 15 лет спустя количество экспонатов заметно прибавилось. У площадки сменилось название на «Механизация и электрификация сельского хозяйства». В 60-х годах тематика экспозиции меняется. Открывается новое направление «Космос».

В начале 90-х павильон «Космос» переживает период забвения. Образовательные площадки упраздняются, на их месте появляются ларьки с товарами для садоводов. В 2017 году ситуация меняется в лучшую сторону. Муниципалитет города Москвы приступает к реставрационным работам по восстановлению космической выставки. Работы заняли чуть больше года. Уже с 2018 года Центр «Космонавтика и авиация» начал принимать первых гостей.

Новый Центр стал популярен у москвичей и гостей города. В музее смогут удовлетворить свое любопытство взрослые и дети.

Экспозиция

В Центре «Космонавтика и авиация» находится одна из самых больших экспозиций, посвященных истории российской космонавтики. Всё, начиная с идеи покорения космоса. Гости павильона могут лицезреть гигантские макеты космических кораблей и оборонно-промышленной техники. Их свыше 120 единиц.

Также возможно совершить тур по нашей галактике и ознакомиться с двумя тысячами редких образцов фото-, видеоматериалов, документов, связанных с проектами развития космической программы. Выставочное пространство делится на: «Космический бульвар-1», «Конструкторское бюро-2» и «Космодром будущего-3».

В «КБ-1. Космический бульвар» представлены самые масштабные экспонаты павильона: макеты орбитальных станций «Мир» и «Алмаз», ракетный двигатель РД-170, ракета-носитель Н-1, космические аппараты ГЛОНАСС-К, «Экспресс-1000», «Союз», луноход «Луна-17» и многое другое.

Вес макета орбитальной станции «Мир» более 30 тонн.

Зона «КБ-2. Конструкторское бюро» больше похожа на научную лабораторию. Посетители смогут узнать об исследованиях и разработках в области космической медицины и биологии. Отдельное место занимает проект «Люди в космосе». Он рассказывает о подвигах первых космонавтов.

В зоне «КБ-3. Космодром будущего» для посещения доступен 5D-кинотеатр «Космическая сфера». В нем показывают тематические фильмы. Также под куполом установлены симуляторы полетов, с помощью которых можно побывать на далеких планетах и звездах.

Также Центр занимается образовательной деятельностью. Для этого в его стенах работают детский и молодежный исследовательские кружки.

Экскурсии

В Центре «Космонавтика и авиация» со вторника по воскресенье организуются обзорные экскурсии. Они проводятся каждый час с 11:30 до 20:30 без предварительной записи. Экскурсия длится около 1 час. Билеты возможно приобрести только в кассах павильона «Космос». Входной билет покупается отдельно.

Часы работы павильона «Космос»

Центр «Космонавтика и авиация» на ВДНХ работает со вторника по воскресенье с 11:00—22:00, понедельник — технический день. Вход в павильон только по сеансам: 11:00—13:00; 13:00—15:00; 15:00—17:00; 17:00—19:00; 19:00—21:00.

Цены на билеты в павильон «Космос» на ВДНХ

Входной билет: 500 рублей, льготный — 250 рублей.

Обзорная экскурсия: 300 рублей, льготная — 200 рублей.

Льготный билет выдается при предъявлении необходимых удостоверяющих документов в кассе павильона. Билеты продаются в кассах павильона и на официальном сайте Центра.

Как добраться до Центра «Космонавтика и авиация»

Центр «Космонавтика и авиация» находится в павильонах № 32-34 «Космос» на ВДНХ. Расстояние от Главного входа до него получится пройти примерно за 15 минут. Двигаться нужно прямо по Центральной аллее до макета ракеты «Восток». Также можно воспользоваться автобусом № 533. До ВДНХ можно добраться на общественном транспорте или такси.

Общественный транспорт

Метро: станция «ВДНХ» Калужско-Рижской линии (оранжевая ветка). Путь от центра Москвы до ВДНХ получится преодолеть за 20 минут. Пересесть на линию получится с Кольцевых, Сокольнической, Таганско-Краснопресненской, Замоскворецкой веток.

Автобусы: М9, Т13, 15, 33, 56, 76, 85, 93, 136, 154, 172, 195, 244, 266, 311, 378, 379, 496, 544, 834, 803, 903, Н6.

Автобус на территории ВДНХ: № 533, до остановки «Дворец бракосочетания».

Монорельс: остановки «Выставочный центр» и «Улица Сергея Эйзенштейна».

Троллейбусы: № 14, 36, 73, 76.

Трамваи: 11, 17, 25.

Такси

До ВДНХ можно добраться на такси, используя приложения: Яндекс. Такси, Uber, Gett, Maxim.

Центр "Космонавтика и авиация" - крупнейший космический музейный центр в современной России, расположившийся в стенах исторического павильона "Космос" на .

Экспозиция музея включает большое количество экспонатов, демонстрирующих достижения отечественной космонавтики: от архивных документов до макетов космических аппаратов, выполненных в натуральную величину. Он создан для популяризации достижений отечественной ракетно-космической, авиационной и оборонной промышленности и реализован как совместный проект правительства Москвы, ВДНХ, госкорпорации "Роскосмос" и ряда предприятий военно-промышленного комплекса России. Своеобразным экспонатом стало и само здание легендарного павильона, построенное в советские годы.

Располагая обширной и интересно поданной коллекцией, центр "Авиация и космонавтика" на ВДНХ стал одной из знаковых космических точек на карте Москвы - и мощнейшей туристической достопримечательностью.

Экспозиция

Масштабная экспозиция музея посвящена достижениям отечественной космонавтики и перспективным проектам освоения космоса. Пространство павильона условно разделено на 3 части: "КБ-1. Космический бульвар" (музейно-выставочное пространство), "КБ-2. Конструкторское бюро" (образовательно-научное пространство) и "КБ-3. Космодром будущего" (интерактивно-досуговое пространство), благодаря чему экспозиция раскрывается поэтапно, от первых идей покорения космоса к самым современным наработкам.

Ознакомление с экспонатами возможно как в индивидуальном порядке, так и с экскурсией.

В "КБ-1" можно увидеть натурные экспонаты и полноразмерные макеты космических кораблей и аппаратов, которые демонстрируют реализованные проекты 20 века и достигнутые отечественной космонавтикой успехи. В экспозиции представлено свыше 120 уникальных образцов летательной и космической техники, никогда ранее не выставлявшихся для обозрения в музейном пространстве, а также большое количество архивных документов, фото- и видеоматериалы. Самым масштабным экспонатом стал макет орбитальной станции "Мир", выполненный в натуральную величину (1:1, вес макета - более 30 тонн) и включающий 4 модуля ("Мир", "Квант-1", "Квант-2" и "Кристалл"). Здесь также можно увидеть макеты спутников "Спутник-1" (1:1) и "Луч-5А" (1:1), планетохода "Луноход-1" и станции "Луна-17" (1:1), орбитальный самолёт МАКС, ракетоплан БОР-4, жидкостный ракетный двигатель РД-170, компактные макеты космодромов и ракет, а также различные детали космических аппаратов. Экспозиция интерактивна: посетители музея могут не только посмотреть фото и видео, но и поиграть в тематические игры на расставленных по залу дисплеях.

"КБ-2" - образовательное пространство, где размещены детский образовательный и молодёжный экспериментальный центры, а также разделы "Космическая промышленность и инфраструктура", "Исследование Земли из космоса", "Исследование планет Солнечной системы", "Космическая медицина и биология" и другие. Здесь посетители музея могут получить представление о том, какие задачи и проекты являются приоритетами современной космической отрасли.

"КБ-3" - интерактивное пространство, зона виртуальной реальности, представляющая посетителям образ космической цивилизации и перспективы космонавтики в отдалённом будущем. Центром пространства стал двухуровневый экспозиционный модуль "Монолит", вокруг и внутри которого разместились интерактивные экспонаты и активности: игровые симуляторы, говорящий робот и 5D-кинотеатр "Космическая сфера", где можно наблюдать запуск ракеты или вид Земли из космоса.

Особенность экспозиции - в её интерактивности: по всему павильону расставлены дисплеи с тематическими видео- и аудиозаписями, наглядными схемами устройства космических аппаратов, различными играми, подходящими для детей и взрослых.

Павильон "Космос"

Павильон № 32-34 "Космос" ("Космос / Машиностроение") - один из легендарных павильонов ВДНХ, долгое время находившийся в запустении.

Здание было построено в 1939 году по проекту архитекторов Ивана Таранова, Виктора Андреева и Надежды Быковой - изначально павильон носил название "Механизация" и был посвящён сельскохозяйственной технике. Позже его экспозиция расширилась, и он стал носить имя "Механизация и электрификация сельского хозяйства"; в 1954 году павильон реконструировали, и он приобрёл современный вид. В 1960-х экспозицию полностью сменили, и в период с 1967-го по 1991 год в павильоне размещалась постоянная выставка, посвящённая освоению космоса - именно в таком виде павильон "Космос" и запомнился москвичам. Однако, в 1990-х годах он, как и многие другие павильоны ВДНХ, превратился в торговую площадку. Здесь стали продавать саженцы и товары для садоводов, коллекции и отделка при этом были частично утрачены.

Запустение "Космоса" продолжалось до 2015 года, когда павильон освободили от арендаторов, а в 2016 году началось его восстановление. Павильон не просто отремонтировали и приспособили под современное использование, но и бережно восстановили утраченные декоративные детали и отреставрировали сохранившиеся. Одновременно с этим специалисты прорабатывали концепцию будущего музея.

13 апреля 2018 года в обновлённом павильоне "Космос" открылся центр "Авиация и космонавтика", и легендарный павильон после долгих лет запустения вновь стал одной из мощнейших достопримечательностей Москвы.

В настоящий момент павильон "Космос" - не просто здание, а выдающийся памятник советской архитектуры, который сам по себе выступает в роли ценного экспоната. Посетители центра "Авиация и космонавтика" имеют возможность увидеть его не только снаружи, но и внутри: посмотреть на смальтовое панно на тему электрификации СССР, гербы союзных республик и огромную кремлёвскую звезду под куполом.

Режим работы, как добраться

Центр "Космонавтика и авиация" в павильоне "Космос" открыт для посещения ежедневно, кроме понедельника. Лучше всего посещать его по будням, когда в павильоне меньше посетителей.

Часы работы: с 11:00 до 22:00. Посещение организовано по сеансам:

11:00 - 13:00;

13:00 - 15:00;

15:00 - 17:00;

17:00 - 19:00;

19:00 - 21:00 (вход на последний сеанс возможен только до 21:00, с этого времени и до 22:00 центр работает только на выход).

Стоимость посещения: 500 рублей - полный, 250 рублей - льготный, для отдельных льготных категорий предусмотрено бесплатное посещение.

Официальный сайт центра "Космонавтика и авиация": cosmos.vdnh.ru - на нём можно уточнить график работы и цены билетов в конкретный выбранный день, а также купить билеты онлайн или заказать экскурсию.

Павильон "Космос" находится на площади Промышленности ВДНХ по адресу проспект Мира, 119 строение 34. Добраться до него можно пешком от станции метро "ВДНХ" Калужско-Рижской линии.

Из атмосферы – в космос. Воздушно-космический самолет – транспорт будущего

Интенсивное освоение околоземного космического пространства уже в ближайшем будущем приведет к резкому возрастанию орбитальных грузопотоков. Принципиально новые космические транспортные системы могут быть созданы на основе воздушно-космических самолетов (ВКС) с комбинированной силовой установкой. На начальном этапе разгона ВКС использует для создания подъемной силы воздух, а для окисления топлива – атмосферный кислород, как обычный самолет. Это позволяет значительно уменьшить затраты топлива и стартовую массу по сравнению с обычными ракетными системами.

Длительность полета со сверхзвуковыми скоростями предъявляет такому летательному аппарату особые требования, поскольку он подвергается мощным тепловым и силовым воздействием атмосферы. Одно из решений по уменьшению аэродинамического сопротивления – активное управление обтеканием самолета посредством подвода тепла в набегающий сверхзвуковой поток с помощью лазерного или СВЧ-излучения

Перспективы использования околоземного космического пространства огромны. Системы связи и навигации, мониторинг окружающей среды, разведка полезных ископаемых, управление климатом, производство новых материалов и многое, многое другое. Вся эта деятельность потребует создания и эксплуатации космических станций многофункционального назначения, а значит – доставки на околоземную орбиту большого количества грузов. Все более актуальной становится и задача возвращения из космоса аварийных и отработавших конструкций, так как его «засорение» грозит серьезными осложнениями. Отсюда – назревшая необходимость в создании принципиально новых космических кораблей, которые уже в недалеком будущем смогут справиться с возросшими транспортными потоками.

Ракетные системы, существующие сегодня, не в состоянии обеспечить перемещение на околоземную орбиту грузов в больших объемах. Причины этого заключаются не только в высокой стоимости, но и в длительном времени стартовой подготовки и малом количестве самих стартовых комплексов.

Принципиально новые транспортные системы могут быть созданы на основе воздушно-космических самолетов (ВКС) с комбинированной силовой установкой, включающей прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД), работающий на водороде, и жидкостный ракетный двигатель (ЖРД). Используя на большей части атмосферного участ­ка траектории разгона воздух для создания подъемной силы и атмосферный кислород для окисления топлива, можно значительно уменьшить затраты топлива и стартовую массу ВКС. Такой воздушно-космический самолет способен доставить на околоземную орбиту груз, вес которого равен 3-5 % от взлетного. При этом, по оценкам специалистов, удельная стоимость доставки будет в 20-50 раз меньше, чем при использовании ракет.

Будучи самолетом, ВКС имеет ряд и других преимуществ перед ракетными системами. Он может горизонтально стартовать с любого аэродрома (отпадает необходимость в сложных и дорогостоящих стартовых комплексах), причем подготовка к старту занимает существенно меньшее время. ВКС способен выйти на нужную околоземную орбиту за счет маневрирования в атмосфере, а не в космосе, что требует значительно меньших затрат топлива. У него практически отсутствует характерная для ракет зона отчуждения, куда падают отработавшие элементы конструкции. Благодаря этим преимуществам ВКС можно использовать и при проведении быстрых спасательных операций.

Однако к такому «универсальному» летательному аппарату предъявляются и особые требования. Ведь в отличие от возвращаемых отсеков космических аппаратов ВКС должен совершить в атмосфере достаточно длительный полет с гиперзвуковыми скоростями, используя непрерывно работающую двигательную установку. Поэтому основные трудности создания подобного летательного аппарата обусловлены, в первую очередь, структурой теплового и силового воздействия атмосферы.

При полете максимальное давление на аппарат пропорционально квадрату скорости набегающего потока, а тепловая нагрузка в критической точке носовой части аппарата, соответствующей точке торможения потока, – кубу скорости. В результате при гиперзвуковых скоростях полета (М * > 6) тепловая нагрузка возрастает почти в десять раз и более по сравнению со сверхзвуковыми скоростями (М ≤ 3), а равновесная температура теплоизолированной оболочки летательного аппарата – почти в три раза.

Решение этих проблем при создании гиперзвуковых летательных аппаратов требует от инженеров-кон­структоров поиска принципиально новых научно-технических идей, прежде всего в области материалов, аэродинамики и теплообмена.

Основной вес – топливо

Исследования по разработке технологии гиперзвукового полета с прямоточным воздушно-реактивным двигателем на водороде велись с середины прошлого века в ряде зарубежных стран (США, Франции, Германии, Японии, Китае, Австралии), а также в СССР, где разрабатывались две гиперзвуковые системы – «Спираль» и «Буран».

Несмотря на значительные достигнутые успехи в разработке технологий ВКС, множество проблем остались нерешенными. И первые в этом ряду – взаимосвязанные проблемы двигателя и конфигурации самого летательного аппарата, поскольку затраты топлива для выведения на орбиту определяются главным образом характеристиками силовой установки и аэродинамическим качеством компоновки самолета.

На основе исследований аэродинамического качества конфигураций летательных аппаратов и удельного импульса ПВРД с использованием экспериментальных моделей в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН была рассчитана масса горючего, необходимого для разгона ВКС до 1-й космической скорости **. Оказалось, что она должна составлять около 70 % от его стартовой массы. Расчеты показали, что значение стартовой массы очень чувствительно к вариации относительной массы горючего. Например, уменьшение (увеличение) затрат топлива на 1 % будет приводить к соответствующему изменению стартовой массы ВКС на 25 %.

Поэтому неудивительно, что на массу самой кон­струкции ВКС накладываются весьма жесткие ограничения. Относительная большая масса конструкции допускается только для многоступенчатых систем, в частности, при условии сброса отработавших элементов конструкции на определенных участках траектории полета. Однако при этом условия эксплуатации многоступенчатых систем усложняются, соответ­ственно увеличивается стоимость.

Греем воздух

Достигнуть снижения расхода горючего можно, увеличив аэродинамическое качество (т. е. отношение аэродинамической подъемной силы к аэродинамическому сопротивлению) и удельный импульс силовой установки (отношение тяги двигателя к расходу топлива). Многочисленные экспериментальные исследования аэродинамических характеристик гиперзвуковых летательных аппаратов свидетельствуют, что их максимальное аэродинамическое качество в гиперзвуковом диапазоне скоростей имеет конечный предел при реальных числах Рейнольдса (отношение динамической силы к силе трения) K max ≈ 6.

Поскольку увеличить этот показатель посредством аэродинамического конструирования не удается, в настоящее время большое внимание уделяется решению задачи активного управления обтеканием тел посредством энергетического и (или) силового воздействия на набегающий поток, в частности, посредством подвода тепла в сверхзвуковой поток перед телом. Для технической реализации этой идеи предполагается использовать лазерное и СВЧ-излучение.

Оценка массы горючего, необходимого для разгона воздушно-космического самолета до 1-й космической скорости, была сделана на основе решения дифференциального уравнения, обобщающего формулу К. Э. Циолковского при действии внешних сил. В этом случае затраты топлива, необходимые для увеличения скорости летательного аппарата на заданную величину ΔV , зависят не только от эффективности силовой установки, но и от комплекса  σ= Kn v (K – аэродинамическое качество, отношение аэродинамической подъемной силы к аэродинамическому сопротивлению; n v – продольная перегрузка, отношение ускорения самолета к ускорению свободного падения).
Эффективность силовой установки характеризуется удельным импульсом I e (отношение тяги двигателя к расходу топлива). Чем больше удельный импульс и комплекс σ, тем меньше затраты топлива. Это понятно: увеличение аэродинамического качества означает уменьшение аэродинамического сопротивления при заданной подъемной силе, уравновешивающей вес самолета; увеличение продольной перегрузки уменьшает время разгона. Макси­мальное значение n v ограничивается прочностью конструкции и способно­стью человека выдерживать длительные (десятки минут) перегрузки.
Стартовая масса ВКС m 0 равна сумме масс конструкции m K , запаса топлива (горючего) m T и выводимой на орбиту полезной нагрузки m pn:
m 0  = m K  + m T  + m pn
Вводя относительные величины m k  = m K   / m 0 и m Т  = m Т  / m 0 , получим
m 0  = m pn  / 1 – m̅ T  –m̅ K
Из этого следует, что на массу конструкции накладываются весьма жесткие требования m̅ K ≤ 0,3, а значение стартовой массы очень чувствительно к вариации относительной массы горючего:
 δm 0  / m 0  =   δm̅ Т  / m̅ pn
Уменьшение относительной массы топлива приводит не только к уменьшению стартовой массы ВКС, но также позволяет ослабить требования к конст­рукции

В большинстве таких теоретических и экспериментальных исследований рассматривается задача уменьшения аэродинамического сопротивления. Этот эффект связан главным образом с уменьшением плотности газа в набегающем потоке, что подтверждено расчетами и непосредственными измерениями. Определенную роль могут играть также изменения режима обтекания вследствие изменения числа Маха или числа Рейнольдса, а также ионизации потока.

На примере обтекания гиперзвуковым потоком газа трапециевидного модельного профиля было показано, что на аэродинамическое сопротивление и подъемную силу можно влиять путем формирования в набегающем потоке ступенчатого распределения температуры (что соответствует ступенчатому распределению плотности газа). Добиться такого эффекта можно, например, при импульсно-периодическом нагреве потока комбинированием лазерного и СВЧ-излучения. При этом максимально высокое аэродинамическое качество достигается в режиме глиссирования, когда полет происходит на границе раздела сред высокой и низкой плотности.

Функциональные модели

Проверка того или иного способа управления набегающим потоком воздуха может быть проведена с помощью так называемого функционального моделирования. В этом смысле летательный аппарат – сложную иерархическую систему – можно представить в виде взаимосвязанной совокупности различных подсистем, определяемых по функциональным признакам.

Математическая модель летательного аппарата состоит из ряда блоков: аэродинамические характеристики, тяга и удельный импульс двигателя, траектория полета, функциональные ограничения, оптимальное управление. Таким образом, в ней отражены функциональные характеристики и связи элементов в целом, без жесткой привязки к конкретным реализующим устройствам.

С использованием такой модели можно оценить как принципиальную возможность достижения поставленной цели, так и конкретные характеристики (эффективность, критические режимы работы и т. п.). Меняя базовые значения характеристик отдельных элементов, можно определить их влияние на функциональные свойства системы в целом и установить величину допустимых возмущений – выработать требования к точности измерения параметров.

Особенность функционального моделирования в том, что синтез и анализ объекта производится при небольшом объеме начальной информации. Отсюда следует, во-первых, итерационный характер построения математической модели, предполагающий постоянную корректировку процесса с учетом уже полученных результатов. Во-вторых, в модели предусматривается минимальное число задаваемых входных параметров, что уменьшает степень неопределенности при установлении характеристик летательного аппарата.

Второе обстоятельство стимулирует поиск новых, более обобщенных форм представления функциональных свойств элементов. Естественно, они должны соотноситься с множеством возможных конкретных устройств. Однако выбор и разработка самих устройств – это уже следующий этап работы.

Горение в сверхзвуковом потоке

Важнейшая часть силовой установки ВКС - прямоточный воздушно-реактивный двигатель, теоретиче­скому и экспериментальному исследованию которого посвящено много работ.

Концепция использования ПВРД для полета с гиперзвуковыми скоростями предусматривает, что в канале двигателя сгорание топлива должно происходить в сверхзвуковом потоке воздуха. При этом количество сгорающего топлива должно быть достаточным для получения требуемой тяги. Известный итальянский физик, создатель первой аэродинамической сверхзвуковой трубы А. Ферри предложил несколько способов впрыска топлива в поток и описал возможные схемы возникающих при этом течений. Однако сведения об их практической реализации отсутствуют.

Вообще же диагностика потоков, образующихся при сгорании топлива, чрезвычайно затруднена из-за неравномерного распределения параметров течений и неравновесности процессов. До сих пор нет достоверных экспериментальных данных, свидетельствующих, что в канале двигателя действительно сохраняется сверхзвуковое течение при его «подогреве» в результате сгорания топлива, учитывая, что статическая температура газа при этом не должна превышать 2500-2700 °K. Это ограничение, важное при гиперзвуковом полете, связано с необходимостью в ограничении степени диссоциации продуктов сгорания, поскольку последняя приводит к уменьшению работоспособности газового потока и, следовательно, к уменьшению тяги двигателя.

Для определения характеристик ПВРД существующими методами требуется задание некоторого множества определяющих величин, зависящих от газодинамических и геометрических параметров двигателя и определяемых, как правило, экспериментально. Поэтому эти методы малопригодны при функциональном моделировании, когда нужно определить минимальную совокупность основных параметров, которые относительно мало (и предсказуемо) меняются в процессе функционирования системы.

В рамках такого подхода в ИТПМ была построена функциональная математическая модель силовой установки, которая позволяет получать оценки коэффициента тяги и удельного импульса ПВРД и комбинации ракетного и прямоточного двигателей. При этом учитывается, что часть энергии продуктов сгорания будет использоваться для управления внешним обтеканием самолета.

Оценки эффективности управления внешним обтеканием посредством нагрева воздуха перед летательным аппаратом показали, что при крейсерском полете на сверхзвуковых скоростях значительно – до трети, в зависимости от числа Маха полета, – увеличивается так называемый коэффициент дальности Бреге *** за счет увеличения аэродинамического качества.

Сравнение расходов топлива на разгон с нагревом воздуха перед ВКС и без нагрева было сделано на оптимальных траекториях полета, когда используется комбинированный двигатель. Экономия топлива на траектории разгона составила 3 % от взлетного веса ВКС. Это означает, во-первых, что облегчается решение конструкторских задач. Во-вторых, – что появляется возможность значительно увеличить полезную нагрузку космического аппарата.

По различным оценкам, вес выводимой на орбиту полезной нагрузки составляет 3-5 % от стартового веса самолета – цифры, сравнимые с расчетной величиной экономии топлива при управлении обтеканием самолета. Таким образом, очевидно, что управление обтеканием ВКС посредством нагрева набегающего потока будет весьма эффективно как при крейсерском режиме, так и при разгоне.

Нужна тепловая защита

Существует еще ряд более частных, хотя и не менее важных, проблем, которые нужно решать при создании воздушно-космического самолета. Одна из них - интенсивный аэродинамический нагрев, который длительное время приходится выдерживать конструкции планера, ведь тепловой поток на поверхность самолета пропорционален скорости полета в третьей степени. Такое тепловое воздействие – настоящий барьер, который надо преодолеть при создании гиперзвуковых самолетов.

Высокие температуры практически всех участков поверхности летательного аппарата исключают возможность использования для его конструкции традиционных металлов (алюминий, титан, сталь). Возможные способы тепловой защиты поверхности подразделяются на пассивные и активные, а также их комбинации. К первым относится, например, использование разрушающихся материалов, излучающих покрытий, покрытий с низкой температуропроводностью, характеризующихся невысокой скоростью выравнивания температуры. Методы активной тепловой защиты предусматривают принудительную подачу охлаждающего вещества к горячей поверхности, которое, возможно, будет проникать и в пограничный слой внешнего воздушного потока.

Весьма перспективным представляется метод тепловой конверсии углеводородного топлива, которое может частично замещать жидкий водород. При этом смесь углеводородного топлива с водой подается по каналам под горячими поверхностями. Под воздействием теплового потока происходит эндотермическая реакция образования синтез-газа (смеси монооксида углерода и водорода), идущая с поглощением тепла.

Реакция сопровождается интенсивным конвективным движением среды, что обеспечивает достаточно большие значения коэффициента теплопередачи и малое термическое сопротивление между средой и нагретой стенкой. В результате температура поверхности будет понижаться. «Бонусом» в данном случае будет увеличение энергии топлива за счет поглощения внешнего теплового потока.

Еще один тактический прием тепловой защиты ВКС – уменьшение площади поверхностей, которые необходимо защищать от воздействия высоких температур. В ИТПМ СО РАН была разработана концепция конвергентного воздухозаборника и дивергентного сопла, имеющих более компактные размеры по сравнению с обычными. Модель такого летательного аппарата была испытана в импульсной аэродинамической трубе института при М = 7,8 с работающим двигателем на водороде, и экспериментальные результаты совпали с предсказанными расчетными данными.

При полете со сверхзвуковой скоростью ударные волны, генерируемые самолетом, достигают поверхности земли. Перепад давления на ударной волне создает так называемый звуковой удар. Воздействие перепада давления на ушные перепонки может быть очень болезненным; сила удара может быть такова, что будут разбиваться даже оконные стекла. Уменьшить звуковой удар можно благодаря специальной компоновке летательного аппарата, выбора траектории и режима полета, а также активного воздействия на структуру ударных волн в окрестностях летательного аппарата.

Даже приведенный здесь краткий обзор демонстрирует беспрецедентную сложность создания одноступенчатого воздушно-космического самолета. Однако мощным стимулирующим фактором для форсирования работ по его созданию служит экспоненциальный рост темпа освоения околоземного космического пространства.

Для выполнения всего комплекса работ (научные исследования, проектные разработки, изготовление опытного образца, экспериментальная доводка, создание эксплуатационных структур) требуются громадные людские, материальные и финансовые ресурсы. Выполнить задуманное, вероятно, станет возможным лишь при объединении усилий многих стран. Но цель стоит того, ведь дальнейшее освоение космического пространства должно способствовать успешному и мирному развитию человеческой цивилизации.

Литература

Бурдаков В. П., Данилов Ю. И. Внешние ресурсы и космонавтика. М.: Атомиздат, 1976.

Георгиевский П. Ю., Левин В. А. Управление обтеканием различных тел с помощью локального подвода энергии в сверхзвуковой набегающий поток // Изв. РАН. МЖГ. 2003. № 5. С. 154-167.

Латыпов А. Ф. О математическом моделировании летательных аппаратов на этапе выработки концепции // ЧММСС, 1979. Т. 10, № 3. С. 105-110.

Латыпов А. Ф., Фомин В. М. Оценка энергетической эффективности подвода тепла перед телом в сверхзвуковом потоке // ПМТФ. 2002. Т. 43, № 1. С. 71-75.

Латыпов А. Ф. Оценка энергетической эффективности подвода тепла перед телом при полете с ускорением. Часть 1. Математическая модель // Теплофизика и аэро­механика, 2008. Т. 15, № 4. С. 573-584. Часть 2. Математическая модель разгонного участка траектории.

Результаты расчетов // Теплофизика и аэромеханика, 2009. Т.16, № 1. С. 1-12.

Латыпов А. Ф., Фомин В. М. Способ работы сверхзвукового пульсирующего прямоточного воздушно-реактивного двигателя и сверхзвуковой пульсирующий прямоточный воздушно-реактивный двигатель // Патент РФ № 2347098, 2009.

Сабельников А. В., Пензин В. И. К истории исследований в области высокоскоростных ПВРД в России. М.: ЦАГИ им. проф. Н. Е. Жуковского, 2008.

* Число Маха – отношение скорости потока воздуха к скорости звука

** Минимальная скорость, необходимая для вывода тела на орбиту Земли

*** Коэффициент дальности Бреге Br = VKI , где V – скорость полета, K – аэродинамическое качество, I – удельный импульс двигателя

Летчик-космонавт СССР, дважды Герой Советского Союза, кандидат технических наук, генерал-майор авиации В. Шаталов

Схема освоения приземного воздушного и космического пространства.

Коридор возможных высот и скоростей полета крылатых летательных аппаратов.

Экспериментальные самолеты Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства США для изучения проблем, связанных с освоением гиперзвуковых скоростей полета и созданием многоразового космического транспортного корабля.

Самолет-носитель B-52, под фюзеляжем которого подвешен экспериментальный самолет Х-15.

Схема полета современного истребителя напоминает схему полета разрабатываемого многоразового космического транспортного корабля.

Взлет истребителя с пороховыми ускорителями.

Истребители, снабженные под фюзеляжным дополнительным топливным баком.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Когда летишь на современном сверхзвуковом истребителе, забираешься на самый «потолок», на предельную высоту, кажется, что совсем немного недостает машине, чтобы вырваться из пут земного тяготения и выйти на орбиту. А когда возвращаешься из космического полета и корабль входит в плотные спои атмосферы, невольно думаешь о том, как было бы хорошо, если бы он обладал качествами самолета: можно было бы выполнить необходимый маневр и совершить привычную посадку на аэродром.

К сожалению, пока ни самолет, ни космический корабль не обладают такими качествами. Но я глубоко убежден, что дело это временное.

Авиация подготовила научные и технические заделы в области силовых установок, конструкции аппаратов, бортовых систем, приборов и оборудования, которые явились базой для создания ракеткой техники, для рождения космонавтики. И хотя космические корабли пока мало походят на самолет, а их полет мало напоминает полет самолетов, тем не менее в их конструкции и оснащении есть много от крылатых машин.

Авиацию по праву называют колыбелью космонавтики: только овладев полетом на больших скоростях и высотах, научившись создавать совершенные конструкции летательных аппаратов и мощные реактивные двигатели, человечество смогло предпринять штурм космоса. Многие ученые, конструкторы, участвующие в исследовании и освоении космического пространства, были тесно связаны с авиацией. Не случайно и то, что первыми покорителями космоса стали летчики.

В то же время многие проблемы, решаемые при создании ракетно-космической техники, и многие результаты исследований, полученные в космических полетах, имеют важное значение для дальнейшего развития авиации. Это теплозащита конструкции, терморегулирование, биологическая защита от космического излучения и многое другое.

Наблюдая прогресс авиационной и космической техники, мы вправе задать себе такой вопрос: будет ли в дальнейшем происходить сближение этих областей, или их развитие пойдет разными путями? Есть серьезные основания считать, что в недалеком будущем произойдет заметное сближение авиации и космонавтики.

Дальнейший прогресс авиации связывают в основном с двумя направлениями; с созданием аэробусов - крупных самолетов, способных перевозить по нескольку сот пассажиров, и с переходом к еще большим скоростям полета.

В последние годы очень быстро растут пассажирские перевозки на воздушных линиях, связывающих крупные города с местами массового туризма, с курортами. А поскольку значительная часть перевозок приходится сейчас на самолеты небольшой и средней вместимости, некоторые аэропорты работают очень напряженно.

Выход из создавшегося положения авиационные конструкторы видят в создании аэробусов - крупных самолетов для обслуживания линий небольшой и средней протяженности. Это будут представители третьего поколения реактивных пассажирских лайнеров. Большая коммерческая нагрузка, высокая крейсерская скорость, низкий расход топлива на километр пути, небольшие затраты на техническое обслуживание, большой ресурс самолета, двигателей и всех агрегатов - таковы должны быть достоинства аэробусов.

В Советском Союзе конструкторским бюро Сергея Владимировича Ильюшина разрабатывается аэробус «Ил-86». Он сможет перевозить 350 пассажиров со скоростью 950 километров в час на дальность до 4 600 километров.

Граница скорости полетов в пределах Земли известна - ее уже достигли баллистические ракеты и искусственные спутники Земли. Это первая космическая скорость - 7,9 км/сек. До нее авиации пока еще далековато - мировые достижения скорости самолетов находятся где-то в районе 3-4 тысяч километров в час, то есть 1 км/сек.

Что же стоит на пути достижения авиацией больших скоростей полета?

Своим возникновением и развитием авиация обязана воздушной оболочке планеты. Воздух создает опору летящему самолету, позволяет маневрировать в пространстве, он же используется для «дыхания» двигателей. Но одновременно воздух создает и аэродинамическое сопротивление, на преодоление которого тратится значительная мощность двигателей, причем с увеличением скорости это сопротивление резко возрастает. Кроме того, воздух ставит на пути к большим скоростям полета ряд пороговых препятствий, барьеров. Это хорошо известный теперь звуковой барьер. Его уже преодолела не только военная, но и гражданская авиация. Однако далось это не легко и не сразу. Это также тепловой барьер - недопустимый нагрев самолетов при полете на скоростях, в три и более раз превышающих скорость звука. К этому барьеру несколько лет назад вплотную подошла военная авиация. Экспериментальные самолеты предпринимают вылазки за его пределы. Но пока это лишь проба сил.

Попутно хочется отметить, что само название «барьер» для авиации не совсем удачно. Это не барьеры в обычном понимании слова - преодолел, а дальше снова легкая дорога. Это скорее рубеж, на котором авиация встречается с новыми серьезными трудностями, причем, появившись однажды, они уже не исчезают, а требуют к себе постоянного внимания.

Самолет, превысив скорость звука, преодолев звуковой барьер, все время как бы несет его на себе в виде ударной волны и становится своеобразным источником непрерывного, бесконечно растянутого взрыва. Такое же положение с тепловым барьером.

По мере развития авиации конструкторам приходится решать все более сложные задачи.

Если, к примеру, для небольших скоростей полете в атмосфере аэродинамические расчеты производятся независимо от тепловых, то при полетах на сверхзвуковых скоростях в аэродинамических расчетах приходится уже учитывать теплообмен, решать вопрос о тепловой защите аппарата, то есть решать типичную задачу теории тепломассообмена.

Современные лайнеры летают обычно на высоте 8-10 километров со скоростью около 900 километров в час. В этих условиях аэродинамический нагрев незначителен, и его во внимание не принимают. Если же самолет будет лететь на этой высоте со скоростью в 3 тысячи километров в час, то, как показывают простейшие расчеты, температура заторможенного воздушного потока - слоев воздуха, омывающих поверхность самолета,- составит плюс 280 градусов Цельсия. На гиперзвуковых скоростях (превышающих скорость звука в пять и более раз) она превысит тысячу градусов. При скорости 10 тысяч километров температура достигнет уже 3 600 градусов,

С трудными задачами теплозащиты уже столкнулись создатели космической техники. Были разработаны так называемые абляционные покрытия, теплозащитные свойстве которых основываются на переходе материала из твердого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу. Абляционные покрытия защищают спускаемый аппарат космического корабля, тормозящийся при спуске в атмосфере Земли, от тепловых потоков, достигающих 6-8 тысяч градусов. Но действие таких покрытий связано с укосом массы, а следовательно, с изменением формы покрытия, что совершенно нежелательно для аппаратов, использующих в полете подъемную силу крыльев и корпуса, снабженных аэродинамическими органами управления.

Но даже если бы удалось создать надежную тепловую защиту, попет с гиперзвуковыми скоростями на освоенных высотах был бы невыгоден по экономическим соображениям - расход энергии на преодоление аэродинамического сопротивления воздуха был бы слишком большим.

Вот почему летать с большими скоростями можно лишь в разреженной атмосфере. Здесь и задачи теплозащиты аппарата могут быть решены доступными средствами. Другими словами, надо подниматься в область не освоенных еще высот, в область верхней атмосферы, которая лежит между высотами 30 и 150 километров. Самолеты не могут здесь летать вследствие недостаточной подъемной силы крыльев и тяги воздушно-реактивного двигателя, а орбитальный полёт космического корабля на таких высотах невозможен из-за большого аэродинамического торможения. Эта область разреженной атмосферы пока разделяет авиацию и космонавтику, не дает установить между ними более тесное взаимодействие.

А нужно ли такое взаимодействие? Да, нужно. В околоземном космическом пространстве без него вряд ли можно будет обойтись. С дальнейшим расширением деятельности человека в этом районе все обслуживание между Землей и околоземными орбитами, очевидно, придется взять на себя аппаратам самолетного типа.

Есть ли какие-либо данные о том, что авиация и космонавтика стремятся освоить пространство верхней атмосферы?

Есть... И уже немало.

В частности, экспериментальные пилотируемые самолеты с ракетными жидкостными двигателями, запускаемые в США с самолетов-носителей, достигали высоты более 80 километров и скорости полета около 6 тысяч километров в час. После отделения от носителей самолеты разгонялись и выходили на баллистическую траекторию, Для управления вне пределов плотной атмосферы на них использовались не аэродинамические, а струйные рули. Однако ограниченный запас топлива позволял самолетам выполнять лишь своеобразный подскок вверх, после чего они планировали и совершали посадку.

В полетах экспериментальных ракетных самолетов ученым и конструкторам удалось получить ответы на многие вопросы. В частности, немало нового узнали они об аэродинамике и устойчивости аппаратов, летающих на гиперзвуковых скоростях, о воздействии аэродинамического нагрева на их конструкцию и на работоспособность систем, об особенностях входа в плотные слои атмосферы на больших скоростях с использованием подъемной силы.

Авиация подбирается к области неосвоенных высот снизу, космонавтика - сверху.

Как известно, снижение кораблей «Восток» и «Восход» происходило по баллистической траектории. Рассеивание (проще говоря, показатель неточности попадания в расчетную точку приземления) и перегрузки при таком спуске были довольно значительными, ибо аппарат полностью отдавался во власть стихии - управлять им не представлялось возможным.

Меньшие перегрузки при снижении и значительно большую точность приземления можно было получить лишь при управляемом спуске, то есть при таком спуске, когда в атмосфере происходит управление траекторией спуска корабля. Именно так происходит спуск «Союзов». Правда, этот способ снижения с орбиты потребовал преодоления ряда технических трудностей. Во-первых, нужно было придать спускаемому аппарату форму, обеспечивающую ему аэродинамическое качество. (Эта характеристика, пришедшая из авиации, есть отношение подъемной сипы аппарата к величине его лобового сопротивления.) Кроме того, нужно было создать систему, управляющую кораблем как на внеатмосферном, так и на атмосферном участках полета, и решить ряд других задач. Но зато управляемый спуск позволил снизить перегрузки в 2-3 раза (с 8-10 до 3-4 единиц) и значительно уменьшить рассеивание точки приземления.

От управляемого спуска космического корабля до управляемого полета в верхней атмосфере дистанция еще, конечно, огромного размера. Но тем не менее можно считать, что определенный шаг в этом направлении был сделан и космонавтикой.

В последние годы советские ученые провели ряд других экспериментов, имеющих важное значение для сверхвысотной и сверхскоростной авиации будущего. Я имею в виду эксперименты на автоматических ионосферных лабораториях «Янтарь».

На борту этих лабораторий, запускавшихся с помощью геофизических ракет, устанавливались электрореактивные двигатели. Испытания показали достаточно устойчивую работу этих двигателей на разных высотах и в разных режимах. Примечательно то, что на борту не было ни горючего, ни окислителя. Рабочим телом служил азот атмосферы, правда, предварительно ионизированный. Таким образом, была доказана реальная возможность применения электрических реактивных двигателей для транспортных средств, совершающих полет в верхней атмосфере.

Процесс взаимопроникновения авиации и космонавтики начался уже давно, а в последнее время идет особенно активно. Если лет десять назад еще трудно было говорить об аппаратах, сочетающих качества космического корабля и самолета, то теперь положение изменилось. Облик таких аппаратов предстает достаточно отчетливо. И не только потому, что проведены многие фундаментальные исследования. Главное - конкретнее, определеннее стали цели их создания.

Будущее космонавтики в значительной мере связано с долговременными орбитальными станциями и лабораториями различного назначения. Советская наука рассматривает их создание как магистральный путь человека в космос.

Опыт создания и эксплуатации орбитальных станций советской «Салют» и американской «Скайлэб» показал, что современной космонавтике такая задача уже по плечу.

Но сами станции представляют лишь часть космической системы. Для их эксплуатации- смены экипажей, доставки запасов продовольствия, топлива для двигателей и других материалов - нужны транспортные корабли, которые совершали бы регулярные рейсы по трассе Земля - орбита - Земля.

Это звено системы оказалось пока наиболее слабым. Современные ракетно-космические транспортные средства сравнительно дороги, недостаточно грузоподъемны, требуют долгого времени для подготовки к старту. Все космические аппараты (пилотируемые и беспилотные) выводятся сейчас в космос с помощью одноразовых ракет-носителей. Сложные космические корабли также предназначаются лишь для одного полета.

Разве можно примириться, например, с тем, чтобы крупный океанский лайнер, строящийся несколько лет, предназначался для одного-единствениого рейса? А в космонавтике именно так дело и обстоит.

Возьмем, к примеру, американскую ракету-носитель «Сатурн-5», которая обеспечивала полеты кораблей «Аполлон» к Луне. Этот исполин высотой более 100 метров и весом почти в 3 тысячи тонн фактически прекращал свое существование через несколько минут после старта. А ведь каждая такая ракета стоит ни много ни мало 280 миллионов долларов. Через 10-12 дней от всей сложнейшей системы «Сатурн» - «Аполлон» оставалась лишь небольшая обгоревшая в атмосфере и практически непригодная для дальнейшей эксплуатации спускаемая капсула, в которой экипаж возвращался на Землю. Победная дорога космонавтики усеяна сгоревшими обломками ракет, блоков космических кораблей и брошенными на орбитах спутниками.

Такая «одноразовость» техники превращается в серьезный тормоз дальнейшего развития космонавтики и космических исследований. На первых порах, когда запусков было не так много, а исследования не косили столь большого масштаба, с этим можно было мириться. В дальнейшем же подобное расточительство станет невозможным.

Выход из создавшегося положения специалисты видят в разработке принципиально новых космических транспортных кораблей. Существует много различных проектов, но все такие корабли по замыслу конструкторов должны «уметь» летать в атмосфере, выходить на околоземную орбиту, находиться на ней достаточно продолжительное время, а затем совершать посадку по-самолетному, на свой аэродром. И, что особенно важно, сохранять как можно больше элементов системы для повторного использования.

Чтобы удовлетворять этим требованиям, новые космические корабли должны существенно отличаться от нынешних. Во всяком случае, их орбитальные ступени должны обладать многим из того, что есть у современного самолета.

В поисках схемы нового космического транспортного корабля научно-техническая мысль прошла долгий и сложный путь. Идеальной схемой корабля, отвечающей самым строгим требованиям, сейчас считается двухступенчатая схема с параллельным расположением ступеней. Обе ступени, возвращаемые, пилотируемые, снабжены крылом; как и самолет, они стартуют с аэродрома и садятся на аэродром. Такой корабль можно представить в виде двух самолетов: внизу большой - самолет-разгонщик, а на нем меньший. Большой взлетает с аэродрома, и после того, как достигнута расчетная скорость, меньший отделяется от него и с помощью своих двигателей выходит на орбиту. Самолет-разгонщик тем временем возвращается на аэродром. Выполнив задачу, орбитальный самолет сходит с орбиты и также совершает посадку на аэродром.

Горизонтальный, или самолетный, старт предпочтительнее для многоразового космического корабля, хотя при ракетном старте выводится большая полезная нагрузка. Горизонтальный старт дает возможность выполнять боковой маневр при выведении корабля и запускать вторую ступень практически в любое время без ограничения по азимуту. А это значит, что транспортная система с горизонтальным стартом более маневренна.

Однако реализация такого проекта сегодня еще слишком сложна. Он опережает время, включает еще много нерешенных проблем.

Наиболее приемлемым пока считается проект транспортного корабля, у которого первая ступень - непилотируемая, частично восстанавливаемая для повторного использования, а вторая ступень - пилотируемая, самолетного типа. Отход от «идеальной» схемы означает прежде всего возвращение к вертикальному ракетному старту, утрату в полете некоторых элементов системы. Заметьте: утрату не всей ракеты-носителя и не всего корабля, как сейчас, а лишь некоторых элементов.

В США разрабатывается космический транспортный корабль под названием «Шаттл» («Челнок»). Он имеет двухступенчатую схему с параллельным расположением ступеней, обе ступени возвращаемые; двигательные установки ступеней включаются одновременно. Первая ступень состоит из двух спасаемых (то есть возвращаемых на Землю и пригодных для повторного использования) непилотируемых ракетных блоков с двигателями, работающими на твердом топливе. Вторая ступень крылатая, пилотируемая, оснащенная в водородно-кислородными ЖРД и сбрасываемым перед выходом на орбиту топливным баком. В этой схеме используются преимущества ракетной техники, в частности, применяется высокоэнергетическое топливо и вертикальный старт. Единственная часть системы, которая будет утрачиваться в полете, - топливный бак второй ступени.

Вся эта система чем-то напоминает истребитель, снабженный подфюзеляжным дополнительным топливным баком и двумя пороховыми ускорителями. Взлет такого самолета не раз демонстрировался на воздушных парадах. Только в отличие от него космический транспортный корабль будет иметь топливный бак огромных размеров, превышающий по размерам и весу сам корабль почти вдвое. А вместо компактных пороховых ускорителей - два больших спасаемых твердотопливных ракетных блока.

Отмечая недостатки существующих пилотируемых космических кораблей, мы назвали два: одноразовость и недостаточную грузоподъемность. В действительности недостатков гораздо больше, В частности, нынешние корабли мало маневренны, выполняют только парашютную поездку, для поиска и эвакуации их спускаемых аппаратов требуется специальная служба. Пока все они совершают полет по «жестким» орбитам, не производят маневра плоскостью орбиты, поскольку такой маневр связен с огромным расходом топлива. Вследствие этого корабли не могут спускаться в заданный район, если через него не проходит очередной виток.

Создание аппарата, обладающего большими маневренными возможностями на орбите, заметно расширило бы перспективы всей околоземной космонавтики. Можно было бы уже не запускать, а просто доставлять спутники не орбиты в грузовом отсеке корабля, обслуживать и ремонтировать их в космосе, возвращать на Землю материалы исследований и наблюдений, выполненные спутниками, и даже сами спутники е случае их выхода из строя. Не пришлось бы больше решать сложные проблемы, связанные, в частности, с отделением носовых обтекателей, раскрытием антенн, панелей солнечных батарей. На орбите перед отделением спутника от корабля можно проверить работу его аппаратуры. Значительно снизились бы затраты на разработку выводимых на орбиту аппаратов, поскольку менее жесткими оказались бы ограничения их веса и габаритов. Кроме того, можно было бы обходиться без сложных мер защиты от воздействия больших перегрузок, вибрации, шумов.

С помощью маневрирующих пилотируемых аппаратов может быть организована эффективная служба помощи в космосе.

Ныне спасательный корабль может сблизиться с кораблем, терпящим бедствие, лишь в том случае, если он запущен в тот момент, когда орбита корабля, терпящего бедствие, проходит над местом старта. А повторяется это лишь раз в сутки.

Теперь представим себе, что необходимо срочно эвакуировать экипаж орбитальной станции и что в космосе уже находится пригодный для этого корабль, но угол наклона его орбиты относительно плоскости земного экватора не такой, как у орбиты станции. Сейчас в подобной ситуации для сближения корабля и станции ничего сделать нельзя. А вот транспортный корабль, обладающий аэродинамическим качеством, в состоянии выполнить нужный маневр. Для этого ему придется погрузиться в атмосферу, проделать необходимые эволюции, а затем снова выйти на орбиту. Путем многократного погружения в атмосферу можно значительно изменить плоскость орбиты космического аппарата. Конечно, это также требует расхода топлива, но значительно меньшего, чем маневрирование на орбите, ибо в осуществлении маневра такому кораблю помогает атмосфера.

Когда в свете новых требований, предъявляемых к космическому полету, начинаешь думать: что же надо совершенствовать - современный космический корабль или современный самолет, то неизбежно приходишь к выводу, что путь к новому кораблю от авиации, пожалуй, ближе, чем от космонавтики. Орбитальная ступень этого корабля должна иметь все, чем располагает самолет: фюзеляж достаточно большой длины, крылья, систему для захода на посадку, шасси, аэродинамические органы управления.

Но разработка такого корабля (его с полным основанием можно назвать воздушно-космическим самолетом) - задача не простая. Ряд научных и технических проблем, решенных ранее применительно к нуждам космонавтики, приходится решать заново. Возьмем хотя бы теплозащиту орбитальной ступени при входе в плотные спои атмосферы. Возникает необходимость в разработке новых методов теплозащиты и новых теплозащитных материалов.

В отличие от спускаемого аппарата космического корабля орбитальная ступень воздушно-космического самолета должна рассеивать значительную часть кинетической энергии не в плотной атмосфере, а на больших высотах, вследствие чего ее нагрев будет определяться прежде всего углом входа в атмосферу. Облегчить тепловой режим орбитальной ступени при входе в плотные слои атмосферы может спуск ее на больших углах атаки. Тогда непосредственному воздействию набегающего потока будут подвергаться только нижние поверхности ступени, площадь которых составляет примерно одну треть от всей поверхности. То есть большая часть поверхности орбитальной системы не потребует сложной теплозащиты. И самое главное - не будет областей с очень большими температурами, что наблюдается при малых углах атаки.

Продолжительность полета на атмосферном участке снижения нового космического аппарата может возрасти с десяти минут, так обстоит дело сейчас, до часа и более. В этих условиях температура большей части, если не всей конструкции аппарата, будет близка к равновесной температуре излучения, что позволит не применять для теплозащиты абляционные материалы.

Однако проектирование конструкции, охлаждаемой излучением, требует точного знания местных тепловых потоков по всей поверхности. Выбор материалов должен быть сделан без ошибок, которые допустимы при более толстом теплозащитном покрытии из абляционного материала. Поскольку тепловые потоки связаны с распределением давления, выбор геометрической формы аппарата приобретает огромное значение.

При исследовании различных форм космических самолетов особое внимание уделяется их маневренности на гиперзвуковой скорости и величине аэродинамического качества. Чем большим аэродинамическим качеством будет обладать такой самолет, тем меньше ему придется ожидать момента схода с орбиты для возвращения в заданный район земного шара. При достаточно большом значении аэродинамического качества аппарат может достичь любой точки на земной поверхности, спускаясь с орбиты в любой момент.

У техники уже есть опыт создания универсальных транспортных средств, таких, скажем, как плавающие и летающие автомобили или самолеты-амфибии. В большинстве случаев в них механически объединены и самостоятельно действуют разные машины. Плавающий автомобиль, например, и до сих пор имеет все необходимое для движения по суше плюс водонепроницаемый корпус, винт или водометный движитель. Самолет-амфибия - это лодка или катамаран плюс самолет.

Полет в двух столь отличных друг от друга средах, как атмосфера и космический вакуум, потребует оснащения нового аппарата как аэродинамическими, так и газореактивными органами управления. Первые (киль, руль поворота, элевоны) будут предназначаться для полета в плотных слоях атмосферы, вторые (группы реактивных двигателей или газовых сопел) - для полета в космосе и в верхней разреженной атмосфере. Такое сочетание считается в технике вынужденным, нежелательным, но неизбежным,

В принципе новый аппарат можно было бы снабдить только газореактивными органами управления - реактивная тяга универсальна для обеих сред, но в этом случае пришлось бы отказаться от многих преимуществ, которые дает атмосфера, иметь значительно больший запас топлива или газа, причем носить этот запас до конца полета.

Боковой маневр и маневр по дальности (к примеру, при выборе точки приземления) космический самолет будет выполнять за счет аэродинамических сил, изменяя свои угол крена и угол атаки. Величина боковой дальности (максимальное отклонение вправо и влево) зависит от аэродинамического качества орбитальной ступени: чем оно выше, тем больше боковая дальность. Чтобы получить, например, боковую дальность ±2 000 км, орбитальная ступень должна иметь аэродинамическое качество на спуске около 1,3.

Напрасно стали бы мы рассматривать все проблемы, связанные с созданием космического аппарата нового типа - их очень много. Это устойчивость и управляемость аппарата, особенно при входе в атмосферу и при посадке, это двигательные установки для обеих ступеней, заправка и хранение топлива. Для нового космического аппарата понадобятся малогабаритные источники электроэнергии - на нем негде установить панели солнечных батарей. Не обойтись без усовершенствования командно-измерительного комплекса, разработки новых систем спасения космонавтов на всех этапах полета, без разрешения многих вопросов эксплуатации. Однако решение всех этих проблем по силам современной науке и технике. Создание космического самолета - вполне реальное дело, и, очевидно, недалеко время, когда мы станем свидетелями его первого полета.

От тесного содружества авиации и космонавтики, этих передовых областей науки и техники, выиграет не только космонавтика. Не менее впечатляющими могут стать в недалеком будущем достижения авиации. Освоение сверхзвуковых скоростей и больших высот даст толчок развитию гиперзвуковых самолетов как транспортного средства. Самолеты, которые придут на смену современным сверхзвуковым лайнерам, смогут за несколько часов доставлять людей и грузы в любую точку земного шара.