Путешествие в космос - Авиационно-космические системы США

Аппараты М2 И HL-10

В начале 1950-х годов на основе теоретических и экспериментальных исследований наиболее оптимальной формой головных частей перспективных баллистических ракет был признан затупленный носовой конус. Возникающий перед таким аппаратом при входе в плотные слои атмосферы отсоединенный скачок уплотнения существенно снижает тепловые нагрузки на конструкцию и дает возможность, уменьшив толщину теплозащитных покрытий, увеличить массу боезаряда.

В то. же время участвовавшие в этих работах специалисты NACA обнаружили, что эта зависимость в целом сохраняется и для полуконусов. Более того, ими была выявлена и другая особенность подобных тел: при гиперзвуковом обтекании за счет разницы давления потока на верхнюю и нижнюю поверхность создается подъемная сила, позволяющая существенно, в сравнении с баллистическими капсулами, увеличить маневренность изделия при сходе с орбиты.

По своим планирующим характеристикам летательные аппараты с несущим корпусом (такое название получила данная схема) занимают промежуточное положение между орбитальными самолетами и баллистическими капсулами. Если первые, обладающие гиперзвуковым качеством в 2,5—2,8, как, например, «Dyna Soar» и Х-15, обеспечивают при возвращении на Землю значительную боковую дальность и небольшие перегрузки, то капсулы затупленной конической или сферической формы с качеством 0,25—0,5, как у кораблей «Дже-мини» и «Аполлон», характеризуются прямо противоположными определениями названных параметров.

Кроме того, использование спускаемых капсул в составе пилотируемых кораблей требует значительных затрат на обеспечение запуска и возвращение. Расчеты показали, что для гарантированного спасения отстреленной капсулы от отказавшей ракеты-носителя вдоль трассы полета необходимо разместить около 15 кораблей, тогда как для крылатого аппарата требуется только три судна, а это на порядок снижает стоимость поисково-спасательных работ. Меньшая маневренность аппаратов с несущим корпусом несколько увеличивает площадь района аварийной посадки и соответственно задействованных кораблей, но и в этом случае экономия средств в сравнении с первым вариантом будет весьма ощутимой — затраты сократятся примерно в 6 раз.

К другим достоинствам «несущих корпусов» следует отнести высокое конструктивное совершенство (отсутствие крыльев, являющихся при запуске пассивной массой, и высокая плотность компоновки), возможность многоразового применения, более низкая в сравнении с традиционными ВКС стоимость разработки и т.п. Поэтому такие системы не могли не привлечь к себе внимания специалистов.

В конце 1950-х годов специалистами Лаборатории им. Эймса, позднее получившей статус центра, была рассчитана модель спускаемого аппарата в виде затупленного полуконуса с плоской верхней поверхностью. Для путевой устойчивости предполагалось использовать два вертикальных киля, продолжавших обводы фюзеляжа.

Возвращаемый космический аппарат такой конфигурации, названной М2, имел гиперзвуковое качество в пределах 1,4—1;5 единиц и допускал маневры в боковой плоскости в пределах 630—1450 км, а дальность его полета при сходе с орбиты достигала 5400 км (для капсулы типа «Аполлон» последние два показателя составляли 90—180 км и 900—1800 км соответственно).

Параллельно с Центром Эймса аналогичные исследования велись и в Центре Лэнгли, сотрудниками которого было просчитано несколько схем для будущих ВКС с несущим корпусом. Среди рассмотренных вариантов наиболее перспективным был признан проект с обозначением HL-10 («Horizontal Landing» — «Горизонтальная посадка»; 10 обозначала порядковый номер предложенной модели). По своей схеме аппарат HL-10 существенно отличался от модели М2: почти круглая (в миделе) верхняя поверхность с тремя килями и плоское, немного выгнутое днище.

Учитывая высокие технико-эксплуатационные характеристики подобных аппаратов, в 1961 г. NASA совместно с ВВС рассмотрело предложения по их использованию в рамках лунной программы для возвращения астронавтов на Землю, а позднее в качестве средства спасения экипажа аварийного корабля «Аполлон», находящегося на низкой околоземной орбите. Однако ни один из этих проектов принят не был.

Несмотря на существенное сокращение ассигнований на экспериментальные проекты, работы по несущим корпусам были продолжены, но благодаря усилиям энтузиастов отдельных подразделений NASA. Один авиамоделист, ознакомившись со схемой аппарата М2, изготовил его масштабную модель и провел серию бросковых испытаний с небольшого беспилотного самолета. После ряда доработок изделие стало демонстрировать неплохие летные характеристики.

Реальные успехи дали основание конструктору показать видеозапись полетов модели руководству Центров Эймса и Драйдена, наиболее активно занимавшихся перспективными летательными аппаратами. Результаты смотрин превзошли ожидания — директор Центра Драйдена выделил из резервных фондов 10 тыс. долл. на изготовление полномасштабного аппарата и помог найти фирму-изготовителя, а директор Центра Эймса согласился провести аэродинамические испытания готовой модели.

Сборка аппарата M2-F1 («Manned»— «Пилотируемый», «Flight» — «Летный образец») началась осенью 1962 г. в одном из ангаров Центра Драйдена. Силовая конструкция модели длиной около 6 м изготовлялась из алюминиевых трубок, корпус — из фанеры (допуск на обводы фюзеляжа определялся 1,6 мм). На верхней (прямой) кромке хвостовой части изделия монтировались два элевона. Внешние алюминиевые кили, расстояние между которыми составляло 2,9 м, оснащались рулями направления; кроме того, на них с некоторым наклоном монтировались элевоны длиной по 68 см.

Хорошие результаты продувок в аэродинамической трубе летной модели M2-F1, выполненных в феврале 1963 г., позволили приступить к рулежным испытаниям. Однако здесь стали возникать проблемы — в Центре Драйдена не нашлось подходящего средства для разгона изделия массой 450 кг. Но среди участников работ оказался профессиональный автогонщик, который помог приобрести по дешевке «Понтиак» с форсированным двигателем. Этот автомобиль обеспечивал разгон модели до скорости 160—195 км/ч.

Начало испытаний также оказалось не очень удачным. Незначительные элементы управления отличались низкой эффективностью и не обеспечивали должной стабилизации изделия, при этом отрицательное влияние оказывали и спутный поток от автомобиля. Проблемы были решены путем усовершенствования управляющих поверхностей и отказа от центрального киля.

Добившись хорошей управляемости аппарата M2-F1, интенсивность его испытаний резко увеличилась (в общей сложности было выполнено свыше 60 рулежных пробежек); в ряде прогонов высота подъема модели над поверхностью достигала 6 м — ну это уже был практически свободный полет.

Воодушевленные успехами участники проекта во главе с пилотом NASA Милтоном Томпсоном (1926 г.р.) — единственным гражданским летчиком, когда-то отобранным в группу испытателей ВКС «Dyna Soar», — уговорили директора Центра Драйдена на отцепку аппарата от автомобиля для самостоятельного планирования.

Директор пошел на риск, санкционировав эти эксперименты. Но это было ничто по сравнению с его последующим разрешением начать бросковые испытания модели с высоты 3—4 км, куда она буксировалась самолетом С-47.

Для выполнения подобных полетов на аппарате было смонтировано катапультируемое кресло массой 77 кг, подготовленное фирмой «Weber» за два месяца. Кроме того, модель была оснащена аварийными двигателями для увеличения скорости при нештатной посадке.

Первый планирующий полет аппарата M2-F1 состоялся • 16 августа 1963 г. После отделения от буксировщика летчик выполнил ряд маневров, в ходе которых была оценена эффективность рулей направления и элевонов. На высоте 610 м пилот приступил к выравниванию модели для посадки.

В целом аппарат продемонстрировал хорошую управляемость и устойчивость. Однако при определенных режимах полета было зафиксировано явление «голландского шага» («Dutch roll»), заключающееся в возникновении при небольших углах атаки резких колебаний в плоскости крена или рыскания; также отмечалась чувствительность изделия к порывам ветра (поэтому на начальном этапе испытания проводились при скорости ветра не выше 2,5 м/с, позднее этот критерий был смягчен до 5—7,2 м/с).

Директор NASA узнал об осуществленном полете лишь из запроса одного из конгрессменов, прочитавшего об эксперименте в одной из газет. Как водится, руководство Центра Драйдена ждали серьезные неприятности, но весомыми доводами в его защиту были эффектный полет принципиального нового аппарата и низкая стоимость выполненных работ (около 30 тыс. долл.).

Поэтому после традиционного «разбора полета» и проведения доработок изделия испытания были продолжены. Достаточно успешная реализация программы M2-F1 (всего было осуществлено около 90 планирующих полетов с небольшим количеством аварийных ситуаций), создали весомые предпосылки для расширения работ по данной тематике.

Летом 1964 г. NASA заключило с компанией Northrop контракты на разработку двух экспериментальных ракетопланов M2-F2 и HL-10, предназначенных для изучения характеристик аппаратов с несущим корпусом на небольших сверхзвуковых скоростях. Данные модели, изготовленные из алюминиевого сплава, предлагалось комплектовать ЖРД тягой около 4 т. Их запуски, как и ракетоплана Х-15, должны были осуществляться на высоте примерно 13 км с подкрыльевого пилона самолета В-52.

По внешнему облику первая модель в основном повторяла базовое изделие — аппарат M2-F1: полуконус с плоской верхней поверхностью оснащался двумя вертикальными килями без внешних элевонов, их рули направления допускают использование в качестве тормозных щитков. Для расширения обзора кабина пилота была смещена вперед, а носок изделия имел остекление. В целях улучшения условий обтекания и снижения сопротивления корпус модели был несколько удлинен. В хвостовой части аппарата M2-F2 размещался подфюзе-ляжный щиток для управления по тангажу, верхняя поверхность корпуса завершалась парой щитков-элевонов, в проти-вофазе обеспечивавших управление по крену.

Корпус аппарата HL-10, наоборот, представлял собой перевернутый полуконус с плоским днищем й закругленной верхней частью фюзеляжа. Кроме того, эта модель имела центральный киль. На верхней поверхности хвостовой части монтировались два трапециевидной формы элевона с небольшими щитками. Центральный киль имел разрезной руль направления, а на внешних килях монтировались балансировочные панели. Эти панели вместе с щитками элевонов применялись для стабилизации изделия только на этапах транс- и сверхзвукового полета; после активного участка при планировании на скорости М=0,6—0,8 они фиксировались во избежании резкого снижения аэродинамического качества при посадке. Расчетная скорость приземления оценивалась примерно в 360 км/ч.

^{Аппарат M2-F2 на подкрыльевом пилоне самолета В-52}

Поскольку разработка ракетопланов M2-F2 и HL-10 велась в достаточно жестких финансовых ограничениях (всего на оба проекта было выделено 1,8 млн долл.), то в целях экономии средств обе модели комплектовались уже готовыми элементами и узлами: основное шасси было взято с истребителя F-5 (модификации Т-38), передняя опора —с тренировочного самолета Т-39, катапультируемое кресло— с истребителя F-106, которое обеспечивало покидание аппаратов даже при транспортировке самолетом В-52, и т.п.

Приборное оборудование моделей M2-F2 и HL-10 также отличалось простотой — при первых полетах на них отсутствовали даже датчики пространственного положения. Среди основных измерительных приборов назывались высотомер, акселерометр, датчики скорости, угла атаки и скольжения.

Оба аппарата оснащались однотипным двигателем XLR-11 тягой 3,6 т, применявшимся непродолжительное время на самолете Х-15. Для увеличения дальности полета при аварийной посадке на аппаратах монтировались вспомогательные ЖРД, работавшие на перекиси водорода.

При выполнении бросковых испытаний топливные баки моделей заполнялись водой общей массой 1,81 т.

<<<Назад Страница 35 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