Авіаційні ракетно-космічні системи

Ростопчина Володимир Васильович, Клименко В.І., ТОВ "Техкомтех"

Авіаційні ракетно-космічні системи набувають все більшої популярності з кількох причин. Одна з них: можливість перенести майданчик старту космічного розгонщики в потрібне місце і заощадити на інфраструктурі. Друга: можливість використання бойових ракет як космічних розгонщики для виведення корисного навантаження в космос. І в тому і в іншому випадках передбачається використання існуючих літаків для розміщення космічного розгонщики. Виникає питання - яку систему вибрати, якими критеріями оцінки при цьому керуватися?

Частина 1. Сучасні літаки-носії і літаки-розгонщики

У рамках цієї статті доцільно прийняти таке пояснення до використовуваної термінології:

- Ракетно-космічна система (РКС): ракета - космічний розгонщики з корисним навантаженням, контейнером та іншим обладнанням, що забезпечують функціонування РКС;

- Літак-носій (СН) авіаційної ракетно-космічної системи (АРКС): літак, що забезпечує розміщення РКС на зовнішній підвісці або на борту літака і доставку її в точку старту з заданими значеннями висоти і швидкості польоту. Як правило, літаки-носії є дозвуковими бомбардувальниками або транспортними літаками, які дозволяють, головним чином, збільшити висоту старту ракети (до 12000 м) при відносно невеликих величинах швидкості польоту (800 .. 850 км / год) [1];

- Літак-розгонщики (СР) АРКС: літак, що забезпечує розміщення РКС на зовнішній підвісці або на борту літака і доставку її в точку старту з заданим значенням висоти і повідомляє ракеті при відділенні деякий рівень кінетичної енергії. Літаки-розгонщики звичайно є надзвуковими бомбардувальниками або спеціально створеними літаками, які дозволяють в широкому діапазоні по швидкості і куту тангажа здійснювати відділення РКС, виконуючи роль своєрідної повертається першого ступеня [1].

Спосіб відділення РКС від СН (СР) може мати суттєвий вплив на ефективність застосовуваної РКС. Однак, сам спосіб відділення РКС від СН (СР) визначається компонувальними можливостями літака [1].

Застосування АРКС до теперішнього часу поки ще не вийшло за рамки експериментально-дослідницьких робіт [1, 2, 3], тому, що приводяться розробниками, основні дані елементів і систем у цілому постійно змінюються.

Особливості і відмінності, які існують і розробляються АРКС визначаються, перш за все, характеристиками транспортного чи бойового літака, здатного забезпечити після відносно невеликих доробок транспортування і старт РКС. В даний час в якості СН АРКС розглядаються: бомбардувальник B-52G (L-1011) і Ан-124, а як літак-розгонщики (СР): Ту-160. Основні характеристики літаків [4, 5] наведено в табл.1:

Таблиця 1

Місце розміщення РКС і її маса визначаються компонуванням застосовуваного літака. Наприклад, розмістити на літаку B-52G РКС масою більше 20 т на спеціальному балочному тримачі, розташованому на крилі, складно [2]. Габаритні розміри ракетно-космічної системи і особливості фюзеляжу літака не дозволяють розмістити її в фюзеляжному відсіку без істотної переробки літака. Розміщення РКС на зовнішній підвісці зажадало перейти до застосування РДТТ замість РРД. Це обумовлено труднощами із забезпеченням необхідних кліматичних умов для транспортування РКС з РРД.

Особливості відомих програм АРКС Програма "Пегас"

У цій АРКС літаком-носієм є доопрацьований варіант стратегічного дозвукового бомбардувальника В-52G [8,2,9] (або L-1011). Літак-носій доставляє РКC на висоту 12000 м. У горизонтальному польоті на швидкості, що відповідає числу М = 0,8 здійснюється скидання РКС "Пегас". Після відділення РКС здійснює керований політ зі зниженням протягом 5 с до моменту запуску РДТТ першого ступеня [7]. Через зазначений час відбувається запуск маршового двигуна і РКС переводиться в політ з кабрирования і поперечної перевантаженням 2,5. Управління РКС на стартовому ділянці траєкторії до запуску двигуна першого ступеня забезпечує хвостова спідниця. Хвостова спідниця складається з двох половинок, щільно охоплюють сопло першого ступеня і складені хвостові керма управління.

Під верхньою половиною спідниці розташовуються силові приводи керма управління. РКС має обмеження по швидкісному напору (q = 45,5 кН/м2). На висоті 63 км РКС досягає швидкості, що відповідає числу М = 8,7. Після вигорання палива першого ступеня вона відокремлюється і включається РДТТ другого ступеня, що забезпечує виведення РКС на висоту до 168 км і розгін до швидкості 5,4 км / с. На висоті 112 км відбувається скидання носового обтічника і починається балістична фаза польоту. В кінці балістичної фази РКС виходить на висоту 463 км. Потім включається двигун третього ступеня. У цілому після 534 з польоту після відділення від СН забезпечується виведення ракетно-космічної системою корисного навантаження масою 270 ... 410 кг на кругові орбіти заввишки 463 км і різними наклонениями при швидкості 7,6 км / с.

Перші польоти з РКС були виконані в 1989 р. За час з 1989 р. система зазнала ряд змін:

- Модифікована РКС і літак-носій замінений на L-1011. РКС "Pegassus-XL" з масою корисної навантаження до 480 кг і загальною масою РКС 23,6 т;

- Модифікована РКС "Pegassus-XLS" з масою корисної навантаження до 800 кг і загальною масою РКС 38,6 т;

- Модифікована РКС "Pegassus-Turbo" з масою корисної навантаження 1020 кг, загальною масою РКС 32,0 т.

РКС стала чотириступінчастою: на додаток до наявних РДТТ встановлюються два ТРДФ. ТРДФ працюють 1800 ... 1900С. Початкові умови польоту з ТРДФ Н = 11,5 км, М = 0,8, кінцеві умови Н = 30 км, М = 4,0 [9,3].

Проект "Повітряний старт"

Обмеження по масі корисного навантаження в проектах типу "Пегас" і наявність сучасного транспортного літака Ан-124 послужили відправною точкою для створення АРКС "Повітряний старт" [8]. Вантажопідйомність літака забезпечує транспортування до точки старту РКС "Політ" масою до 80 т. При цьому передбачається висновок корисного навантаження від 2020 до 2690 кг в залежності від способу на кругову орбіту висотою 200 км. Основні параметри РКС "Політ" наведені в табл.2.

Проект "Повітряний старт" має відмінні риси у способі відділення РКС від СН. РКС розміщується у вантажній кабіні літака-носія головною частиною проти польоту (донної частиною вперед). Перед десантуванням РКС провадиться скидання тиску у вантажній кабіні і відкриття вантажного люка. Десантування РКС може здійснюватися двома способами: з транспортно-пускового контейнера (ТПК) і в складі транспортно-пускової платформи (ТПП).

При десантуванні РКС з ТПК в обсязі контейнера за донної частиною РКС створюється надмірний тиск (приблизно 10132 Н/м2), здійснюється розчеплення механізмів кріплення РКС, контейнера і здійснюється її викид з вантажної кабіни літака-носія зі швидкістю 20 ... 25 м / с. При цьому відносний кут тангажу РКС становить приблизно 0о, а кут атаки-180о (РКС рухається денцем вперед по потоку). У момент виходу РКС здійснюється введення в дію стабілізуючого парашута. Він не тільки забезпечує створення необхідної поздовжньої перевантаження, але і бере участь в розвороті РКС на деякий кут тангажу.

Основні параметри РКС "Політ"

Таблиця 2

Через 6 с після початку десантування РКС (за цей час РКС встигає розвернутися щодо свого центру мас до потрібного кута тангажу) здійснюється запуск маршової рухової установки і відстріл стабілізуючого парашута зі зв'язками. При десантуванні РКС у складі ТПП після відкриття вантажного люка спочатку вводиться в дію витяжна парашутна система (ВПС). При досягненні заданого тягового зусилля від ВПС відбувається автоматичне відкриття утримують замкових пристроїв і РКС на ТПП витягується з вантажної кабіни літака. На початку переміщення РКС з ТПП щодо вантажної кабіни літака відбувається розстикування зв'язків РКС з бортом літака. Після відділення ТПП з РКС і розвороту на заданий кут тангажу по команді від бортової системи управління РКС виробляється відділення ТПП з парашутом від РКС і запуск її маршової ДУ.

В обох варіантах десантування перед початком процесу десантування РКС літак-носій здійснює маневр у вертикальній площині "гірка". Процес десантування починається в момент завершення маневру при поперечної перевантаження близькою до 0,1. Це зменшує сили тертя при русі РКС щодо підлоги вантажної кабіни літака. Останнім часом розглядається ракета "Штиль-3А" замість ракети "Політ".

Проект "Бурлак - Діана"

При розробці вимог до АРКС "Бурлак - Діана" розробники проекту керувалися основними принципами [10,11]:

мінімальні витрати при створенні системи;

мінімальні терміни створення системи;

найбільша ефективність застосування.

Реалізувати подібну, в значній мірі суперечливу, сукупність принципів можливо тільки в тому випадку, якщо використовувати найбільш ефективні і готові, реально існуючі елементи АРКС: літак-розгонщики і РКС.

Як СР обраний доопрацьований варіант літака Ту-160 [5]. Цей літак є єдиним у світі, здатним вийти на надзвуковій режим польоту з РКС на зовнішній підвісці. Доопрацьований літак втрачає якість важкого бомбардувальника-носія стратегічних крилатих ракет великої дальності.

На СР підвішується РКС "Бурлак", яка представляє собою двоступінчастий аналог (за загальною масою і масою корисної навантаження) РКС "Пегас-турбо". Основні дані варіантів РКС "Бурлак" наведені в табл.3. Основною особливістю АРКС "Бурлак-Діана" є можливість пуску РКС на дозвуковом режимі польоту літака за типом проекту "Пегас".

Таблиця 3

Після відділення РКС від літака відбувається розкладка кіля, відділення заднього обтічника, наддування баків і стабілізація польоту за допомогою автономної гідросистеми.

Через 5 с після відділення від літака здійснюється запуск першого ступеня і переклад гідросистеми на роботу від РРД. Протягом 15 секунди проводиться формування початкової ділянки траєкторії польоту РКС. Протягом 130 з виробляється збільшення швидкості і набір висоти. Після набору висоти 30 ... 40 км відбувається перехід на газодинамічних стабілізацію та вимкнення першого ступеня. Потім проводиться перше включення другого ступеня і здійснюється політ за розрахунковою траєкторії з набором висоти тривалістю 60 .. 110 з. При досягненні заданих параметрів польоту проводиться вимкнення рухової установки другого ступеня і здійснюється пасивний балістичний політ з періодичною корекцією кутового положення.

Тривалість пасивного польоту становить від 100 до 3000 с. Потім, протягом 20 ... 50с проводиться включення і переклад другого рівня на задану орбіту, дорозгінним до заданої швидкості та її вимкнення. Після цього виробляється відділення корисного навантаження і переклад другого ступеня спочатку на орбіту зі скороченим часом існування, а потім у політ по траєкторії сходу.

Таким чином, наведені дані показують, що основна відмінність проектів АРКС полягає у способі відділення РКС від літака-носія (літака-розгонщики). У свою чергу, спосіб відділення РКС в значній мірі визначається типом використовуваного СН і його можливостями щодо розміщення РКС.

Більш досконалим і найдешевшим варіантом АРКС на базі Ту-160 є система, що використовує бойову ракету "Штиль - 3А". У цьому випадку з'являється можливість економії не тільки матеріальних ресурсів, але й часу. У цьому варіанті АРКС здійснюється реалізація старту РКС на надзвуковому режимі польоту.

Аналіз даних відкритій пресі, спеціальних видань та окремих публікацій дозволив зробити наступні висновки:

1. Жоден з існуючих проектів АРКС, в силу різних причин, не є результатом виконання цільових пошукових науково-дослідних робіт.

2. Енергетичні можливості АРКС в значній мірі залежать від рівнів втрат на характерних ділянках траєкторії польоту РКС.

3. Тип використовуваного літака і його льотно-технічні характеристики з РКС на борту роблять визначальний вплив на умови старту РКС та показники транспортної ефективності АРКС: максимальну абсолютну (відносну) масу корисного навантаження або максимальну висоту кругової орбіти в цілому.

Список літератури

Кобелєв В.М., Милованов А.Г., Волхонського А.Є. Введення в аерокосмічну техніку / Под ред. проф. д.т.н. В.Н. Кобелева.-М.: МГАТУ, 1996.-267 с.

НОВИНИ ЗАРУБЕЖНОЙ НАУКИ І ТЕХНІКИ, Серія: авіаційної та ракетної техніки. Крилата авіаційна ракета-носій "Пегас". ЦАГІ імені проф. М. Є. Жуковського, № 20, 1989, стор 22-29.

Flight International, 9-15/IV 1997, vol. 151, № 4569, pg. 23.

Tachenbuch der Luftflotten 1983/84 / Warplanes of the World. Bernard & Graefe Verlag, Koblenz, 1983.-560 pg.

Зуєнко Ю.А., Коростельов С.А. Бойові літаки України.-М.: Елакос, 1994.-192 с.

Літаючий космодром. "Наука і життя", № 11, 1999р.-с. 49.

Патент RU № 2026798 кл. 6 У 64 D 5 / 00, F 42 В 15/00. Ракета-носій, скидається з літака-носія, і спосіб її запуску в повітрі і керування польотом.

Літаючий космодром. "Наука і життя", № 11, 1999р.-с. 49.

Air et Cosmos, 11/VI 88 № 1194, рg.18.

Дослідження технічних, експлуатаційних і виробничих аспектів концепції ДІАНА-БУРЛАКА. МКБ "Веселка", 1994.

Аванпроект АКК "Бурлак". Інформаційно-керуюча система. О-42842 ДержНДІАС, 1992.