X-files – американские экспериментальные космопланы конца XX века

Игорь Афанасьев, Дмитрий Воронцов
Журнал «Аэрокосмическое обозрение» №4 – 2011 г.

 

Категория «X» в американской номенклатуре авиационной техники присваивается экспериментальным (experimental) аппаратам. Еще до Второй Мировой войны литера «X» входила в обозначение опытных самолетов (литерой «Y» метили предсерийные прототипы, по которым было открыто финансирование), а после войны была закреплена за летательными аппаратами, предназначенными не для серийной постройки, а для отработки технических решений и технологий. Первым стал самолет X-1 фирмы Bell Aircrafrt, на котором в 1947 году Чак Йегер впервые в мире превысил скорость звука в горизонтальном полете.

Среди многочисленной плеяды аппаратов серии X (их число перевалило за полсотни) были и машины, которые трудно причислить к самолетам. Речь идет о космопланах – аппаратах, способных летать в двух средах – космосе и земной атмосфере.

Провозвестниками нового класса аппаратов на рубеже 1950-60 годов стали экспериментальный гиперзвуковой самолет X-15 и космоплан X-20, более известный, как DynaSoar. Но если второй так и остался в проекте (были изготовлены макеты и отдельные элементы планера), то первый был построен и успешно выполнил множество полетов. Летные испытания X-15 продемонстрировали широкие возможности по управлению высокоскоростными летательными аппаратами на всех этапах полета. В ряде случаев, эффективно используя комбинацию реактивных и аэродинамических органов управления, летчики поднимались на высоту свыше 100 км, осуществляли вход в атмосферу на скорости, соответствующей числу М=6 с углом наклона траектории -38° и при угле атаки 26°. Также успешно выполнялось маневрирование и управление энергией самолета на переходных режимах спуска и при посадке. Наконец, полеты X-15 подтвердили возможность эффективной работы человека в условиях невесомости.

Затем последовали экспериментальные аппараты с несущим корпусом: беспилотный X-23 испытывался в суборбитальных пусках ракет, а на пилотируемом X-24 отрабатывались аэродинамика, управляемость и устойчивость бескрылых аппаратов на дозвуковых скоростях и при посадке. Большой объем теоретических и экспериментальных исследований в области аэродинамики и перспективных технологий позволил американским специалистам в 1980-е годы вплотную подойти к вопросу создания воздушно-космического самолета.

 

X-30

 

Прототип «Национального воздушно-космического самолета» NASP (National Aero-Space Plane) – по-видимому, один из самых известных (и, в то же время, наиболее таинственных) образцов американской техники, скрывающий под своим названием попытку (отнюдь не первую по счету) создания одноступенчатого орбитального летательного аппарата SSTO (single-stage-to-orbit).

Программа NASP проистекала из секретного проекта «Медный каньон» (Copper Canyon), над которым Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) работало с 1982 по 1985 год. Одним из первых открытых упоминаний о разработке стало послание президента США Рональда Рейгана от 1986 года, в котором он сообщил о «… новом «Восточном экспрессе» (Orient Express), который к концу следующего десятилетия мог бы взлетать из аэропорта Даллес, развивать скорость в 25 раз быстрее звука, достигать низкой околоземной орбите или за два часа долетать до Токио».

Американские специалисты полагали, что переход на схему одноступенчатого воздушно-космического аппарата, сочетающего в себе черты транспортного гиперзвукового самолета, позволит, с одной стороны резко увеличить эффективность средств выведения в космос, а с другой – приведет к появлению нового класса средств, способных осуществлять перевозки высокоприоритетных грузов на глобальные расстояния со скоростями на порядок выше скоростей самых быстрых существующих самолетов. При этом считалось, что текущие затраты (на ремонтно-восстановительные работы, топливо, зарплату экипажу и амортизацию наземной инфраструктуры) будут примерно соответствовать нормативам эксплуатации авиатехники.

Расчеты показывали, что максимальная скорость крейсерского полета самолета с самым высокоэффективным (на тот момент) гиперзвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателем (ГПВРД) на углеводородном горючем (керосине) в атмосфере ограничена числом М=8, а высота – примерно 20-25 км. Но при такой скорости полета окружающий воздух нагревается до очень высоких температур, что приводит к потере большей части энергии аппарата и перегреву его конструкции. А потолок самолета ограничен плотностью атмосферы (на большой высоте нагрев конструкции уменьшается, но также резко падает эффективность ГПВРД).

Высказывалось предположение, что большая часть энергии, уходящей на разогрев воздуха, может быть регенерирована путем охлаждения обшивки аппарата топливом с последующем дожиганием в камере сгорания. При переходе с керосина на жидкий водород становилось возможно почти вдвое поднять потолок и достичь скоростей полета, соответствующих числу М=20 и выше. В результате Национальное управление по аэронавтике и космическим полетам NASA (National Aeronautical and Space Agency) совместно с Министерством обороны начали программу X-30. Финансирование распределялось примерно поровну, в программе участвовали также Военно-воздушные силы (ВВС), Военно-морские силы (ВМС) и Управление стратегической оборонной инициативы SDIO (Strategic Defense Initiative Office).

В объявленном конкурсе участвовали компании McDonnell Douglas, Rockwell International и General Dynamics, которые разрабатывали технологии для гиперзвукового одноступенчатого аппарата. За возможность создания воздушно-реактивного двигателя соревновались Rocketdyne и Pratt & Whitney. В 1990 году усилия были объединены под руководством Rockwell International для продолжения проекта в рамках имеющихся технических и бюджетных ограничений.

В рамках проекта предполагалось построить два пилотируемых экспериментальных аппарата-демонстратора X-30, способных совершать полет с крейсерской скоростью, соответствующей числу М=5–15, а при использовании бортового ракетного двигателя разгоняться вплоть до выхода на низкую околоземную орбиту (скорости, соответствующие М=25 и выше). Взлет и посадка должны были выполняться в горизонтальном положении на аэродромную полосу длиной около 3 км.

На основе X-30 могли быть созданы:

система выведения грузов на низкую околоземную орбиту;

гиперзвуковой транспортно-пассажирский межконтинентальный авиалайнер;

бомбардировщик, истребитель-перехватчик баллистических ракет, стратегический разведчик;

боевая крылатая ракета.

В начальный период формирования облика рассматривались различные конфигурации аппарата. После многочисленных расчетов и продувок в аэродинамических трубах была выбрана схема волнолета (waverider): большую часть подъемной силы обеспечивал несущий корпус, «сидящий» в крейсерском полете на волне сжатия. Крыло выродилось в дельтавидные «плавники» малого удлинения, обеспечивающие балансировку и управление аппаратом. Данная конфигурация была эффективной для разгона и движения на высоких скоростях, но затрудняла взлет и полет на малых скоростях (в том числе маневрирование при посадке).

Конфигурация X-30 отличалась высокой степенью интеграции двигательной установки с планером. Носовая часть фюзеляжа лопатообразной формы при полете служила источником ударной волны для сжатия воздуха перед его попаданием в воздухозаборник двигателя. Хвостовая часть фюзеляжа формировала интегрированное сопло внешнего расширения. В центре под фюзеляжем находился блок двигателей, который, однако нельзя было напрямую отнести к ГПВРД. Подробности их конструкции неизвестны до сих пор. В частности, непонятно, каким образом предполагалось разгонать X-30 до скоростей запуска ГПВРД. Исходя из принципа самой простой реализации системы можно предположить, что для этого служил криогенный ракетный двигатель, который мог использоваться для довыведения аппарата на орбиту. Однако никаких официальных фактов, подтверждающих такую догадку, не опубликовано.

Первоначально стартовая масса X-30 оценивалась в 113 т, но в ходе проектирования превзошла 130 т. Поскольку самолет заправлялся жидким водородом, геометрические размеры его по авиационным меркам были колоссальны, и также «играли». Точные значения грузоподъемности никогда не указывались: по некоторым оценкам, он мог вывести на низкую орбиту полезный груз массой до 9 т.

Общие затраты на проектирование и постройку двух демонстраторов оценивались в 10,4 млрд $ (в ценах 1992 года). По плану первый испытательный полет с достижением крейсерской скорости М = 5–15 должен был состояться в 2000 году, а первый выход на орбиту – в 2002 году. Сейчас такие оценки кажутся слишком оптимистичными. Ведь для реализации высоких технических и экономических показателей в рамках одноступенчатой схемы необходимо использовать самые передовые технические решения, зачастую даже еще и не достигнутые к тому моменту. В качестве горючего в ГПВРД должен был служить шугообразный водород, наработки по которому не выходили из стадии лабораторных исследований. X-30 должен был иметь «горячую» конструкцию из материалов, которые еще только предстояло создать. Расчеты показывали, что температура большей части поверхности планера могла достигать 980-1000°С, с максимумом более чем в 1650° С на передних кромках фюзеляжа, аэродинамических поверхностей и воздухозаборнике двигателя. Это требовало разработки высокотемпературных легких материалов, включая сплавы титана и алюминия, в том числе гамма- и альфа-алюминидов титана, перспективных композитов на основе углерод-углерода и металлической титановой матрицы, армированной волокнами карбида кремния. Из последнего материала фирма McDonnell Douglas изготовила демонстрационную секцию фюзеляжа (т.н. Task D) высотой около четырех футов (1.2 м), шириной восемь футов (2.5 м) и длиной восемь футов (2.5 м). С этой секцией был интегрирован криогенный бак из композитного материала на основе эпоксидной матрицы, армированной волокнами углерода. Вся сборка, заполненная жидким водородом, успешно прошла в 1992 году механические испытания с нагружением при температуре обшивки в 820° С.

Что касается ГПВРД, работы по которому велись с середины 1950-х годов, то он также относился к элементам с высоким техническим риском. Достаточно сказать, что сами двигателисты резко расходились в оценках максимального числа М, на котором он мог работать – от 14 до 25.

Несмотря на концентрацию огромных ресурсов и ряд успехов в создании отдельных технологий, разработчики не смогли преодолеть всех технических сложностей. Кроме того, министерству обороны нужен был аппарат с экипажем из двух человек, способный нести небольшую полезную нагрузку. Требовалось разработать прототип с системами жизнеобеспечения, аварийного спасения и прочим оборудованием, свойственным пилотируемым аппаратам. Это увеличивало массу, размеры и стоимость X-30, переводя его в совершенно другой класс аппаратов по сравнению с технологическими демонстраторами.

В 1993 году стало ясно, что проект зашел в тупик, и программу X-30 закрыли, перенеся усилия в направлении более скромные разработок в области гиперзвука, которые завершились летными испытаниями аппарата X-43 Нурег-Х. Последний по существу был масштабной уменьшенной беспилотной копией X-30 и в первой половине 2000-х годов достиг скорости, соответствующей числу М>10, продемонстрировав устойчивую работу водородного ГПВРД.

Подробный крупномасштабный макет X-30 был построен студентами и сотрудниками летно-исследовательской лаборатории Распета (Raspet Flight Research Lab) Университета штата Миссииппи в Скарквилле. Он демонстрируется в университетском городке «Авиационный вызов» (Aviation Challenge) Космического лагеря в Хантсвилле, штат Алабама.

Всего к моменту закрытия работ на программу X-30 было израсходовано около 2 млрд $ (по другим данным эта цифра минимум в полтора раза выше). Несмотря на неудачу, американские военные, ученые и инженеры вовсе не утратили интереса к многоразовым воздушно-космическим системам. Просто вектор этого интереса сместился в область систем с меньшим техническим риском.

 

X-33

 

В начале 1990-х годов, когда стали ясно видны трудности проекта X-30, руководство американской ракетно-космической программой решило «вернуться к истокам», инициировав проведение обширных научно-исследовательских работ по определению оптимального облика средств выведения будущего. Рассматривались варианты модернизации системы Space Shuttle различной глубины, одноразовые ракеты, а также многоразовые многоступенчатые и одноступенчатые носители, в том числе вертикального взлета и горизонтальной или вертикальной посадки. Наиболее перспективной представлялась последняя группа летательных аппаратов, поскольку требовала наименьшего объема технологических разработок, находящихся на стыке авиации и ракетной техники.

Интерес к одноступенчатым системам не случаен. Их расчетная надежность выше из-за отсутствия дополнительных устройств, необходимых для разделения ступеней. В процессе выполнения задания по выведению груза на орбиту аппарат может возвращаться на Землю целиком, не отбрасывая дополнительные элементы (ускорители, баки, головные обтекатели), совершая посадку в заранее определенное место, часто совпадающее (или лежащее невдалеке) от точки старта. Таким образом, снижаются расходы на межполетное обслуживание (не нужна дорогостоящая транспортировка с места посадки на ремонтный завод и/или стартовый комплекс). В идеале подготовка к полету должна сводиться к установке на стартовый комплекс (если носитель стартует вертикально), монтажу нового полезного груза и заправки баков компонентами топлива. По совокупности этих причин одноступенчатая многоразовая система может оказаться в эксплуатации проще и дешевле, чем многоступенчатая.

В первой половине 1990-х годов важным преимуществом многоразовых одноступенчатых ракет было расчетное снижение величины удельных затрат на выведение грузов до уровня в 2025…2160 $/кг, обусловленное отсутствием расходов на изготовление элементов и ступеней взамен утраченных при запуске: для одноразовых ракет нового поколения данный показатель невозможно было опустить ниже 3520…8580 $/кг.

Самым главным недостатком одноступенчатых систем являются высочайшие требования к массовому совершенству конструкции. Они обусловлены формулой Циолковского: в отличие от многоступенчатых ракет, на орбиту вместе с полезным грузом одноступенчатый носитель выводится целиком, пусть даже и с опустевшими баками. А значит, грузоподъемность его падает ровно на столько, на сколько растет масса конструкции.

После анализа обширных исследований в 1995 году стартовала программа многоразового носителя RLV (Reusable Launch Vehicle); требования к ней были сформулированы годом раньше. Программу предполагалось реализовать в два этапа. На первом разрабатывался и строился масштабный аппарат-демонстратор. По результатам его летных испытаний предполагалось принять решение о создании рабочего многоразового носителя второго поколения (за первое принимался Space Shuttle). Памятуя об уроках X-30, для максимального упрощения и удешевления из требований исключили возможность использования системы в качестве пилотируемого транспортного средства, а также вмешательство человека в управление полетом. В чистом виде RLV должна была служить аппаратом для доставки на орбиту грузов в полностью автоматическом режиме.

NASA сформулировало только самые общие требования к перспективному средству выведения. В частности, при массе конструкции 80–113 т RLV должна была доставлять на низкую околоземную орбиту грузы массой 11.3 тонн.

В конкурсе на разработку демонстратора и полноразмерного аппарата приняли участие три фирмы. McDonnell Douglas Aerospace предложила оригинальную ракету с вертикальным стартом и посадкой на базе своих наработок по проекту DC-X. Отделение космических систем компании Rockwell International выступило с «консервативным» аппаратом с вертикальным стартом и горизонтальной посадкой, напоминавшим увеличенный в размерах Space Shuttle. Отделение перспективных разработок фирмы Lockheed Martin, более известное как завод Skunk Works, представило вертикально стартующий и горизонтально садящийся аппарат с несущим корпусом.

В течение 15 месяцев (до мая 1996 года) конкурсанты вырабатывали концепцию.

Принципиальным отличием RLV от транспортных систем прошлого было то, что после разработки ее предполагалось передать для эксплуатации (в том числе коммерческой) в руки частных фирм. Это считалось возможным, поскольку в этот государственный проект предполагались значительные частные инвестиции.

1 июля 1996 года победу в конкурсе одержал Lockheed Martin, чей аппарат признали лучшим по совокупности характеристик. В частности, проект фирмы отличался очень высоким совершенством: по расчету, масса конструкции составляла не более 8,4% от стартовой массы. Таких показателей предполагалось достичь за счет широкого применения композитов, перспективных сплавов, новых ракетных двигателей и передовой теплозащиты.

Полноразмерная система, получившая название VentureStar («Звезда предпринимательства»), должна была иметь стартовую массу 970 т и грузоподъемность 18 т. Форма в плане была близка к треугольнику шириной 39 м и высотой 38 м. Основу конфигурации составлял несущий фюзеляж с большим грузовым отсеком и топливными баками. Поперечную устойчивость обеспечивали два киля, а управляемость и продольную устойчивость – две консоли крыла в задней части фюзеляжа. Изюминку проекта составляли кислородно-водородные двигатели RS-2200, выполненные по схеме «линейного аэроспайка», то есть с прямым соплом внешнего расширения. Аэродинамическое качество системы VentureStar на гиперзвуковых скоростях оценивалось в 1,2, а на дозвуке – примерно в 4,5. Из-за малых удельных нагрузок на несущую конструкцию посадочная скорость не должна была превышать 300 км/ч, что примерно на 90 км/ч меньше скорости посадки «Шаттла».

Демонстратор X-33 был примерно вдвое меньше VentureStar. Аппарат не предназначался для настоящих космических миссий: высоту полета ограничили 75-100 км, а скорость – половиной орбитальной. Беспилотный аппарат предполагалось запускать вертикально от специального стенда, построенного на авиабазе Эдварде в Калифорнии. После суборбитального прыжка миссия заканчивалась горизонтальной посадкой на полигоне Дагуэй к юго-западу от Солт-Лейк-Сити в штате Юта или на авиабазе Малмстром в Грейт-Фоллс, штат Монтана. За 15-18 пусков X-33 должен проверить в полете ряд ключевых технологий, таких как аэродинамика несущего корпуса в самом широком диапазоне скоростей полета, металлическая теплозащита, композитные криогенные топливные баки, двигатель типа «аэроспайк», автономное (без участия человека-оператора) управление полетом, а также быстрое межполетное обслуживание за счет оптимизации операций. Даже без использования авиационных подходов к эксплуатации, расчетная надежность X-33 составляла 0.997, то есть предполагала три неудачных полета при 1000 пусков, что было на порядок выше надежности, достигнутой системой Space Shuttle.

Систему теплозащиты разрабатывала фирма Rohr. Для носка и передних кромок подошло углерод-углеродное покрытие с повышенной стойкостью к окислению ORCC (Oxidant Resistant Carbon Carbon). Нижнюю поверхность предполагалось защитить плитками из никелевого сплава lnconel-617, а на отдельных участках – из титанового сплава Ti-1100. Верхнюю поверхность, испытывающую незначительные тепловые нагрузки, можно было закрыть обычными мягкими теплоизоляционными панелями на основе стекловолоконного войлока. Некоторые элементы конструкции, к примеру, аэродинамические рули, можно было изготовить из термостойких титановых сплавов.

Поначалу работы над X-33 шли быстрыми темпами. В марте 1998 года на самолете-лаборатории SR-71 было проведено первое летное испытание масштабной (1:10) модели двигателя X-33 (пока без включения). Неплохо продвигалась, хоть и с опозданием на 3-4 месяца от графика, программа проектирования и испытания RS-2200, чему способствовало использование элементов двигателя J-2 из программы Saturn-Apollo. На авиабазе Эдвардс началось возведение стартового комплекса. К февралю 1998 года был построен макет X-33, предназначенный для интеграции систем.

Однако с самого начала проект преследовали и серьезные проблемы. Принятая NASA концепция равноправного партнерства с разработчиком, который вкладывал в проект около 220 млн. $, себя не оправдала: проект все больше выбивался из графика. В 1999 году главное контрольно-финансовое управление США отмечало, что проект явно не будет выполнен в срок. Отчасти это объяснялось и завышенным риском новых технических решений, в изобилии присутствовавших в проекте X-33. Так, изготовление композиционного бака жидкого водорода для X-33 началось на пять месяцев позже намеченного срока, и даже «героические усилия» инженеров Skunk Works и предприятия Clearfield компании Alliant Techsystems в Юте не позволили наверстать упущенное.

Не лучше обстояло дело и с алюминиевым* кислородным баком. Его конструкция играла также ключевую структурную роль в X-33: фактически он формировал носовую и центральную часть аппарата. Бак имел сложный двухлепестковый каркас, позволяющий обеспечить минимальный зазор с внешней оболочкой аппарата. В заправленном состоянии доля кислородного бака в массе аппарата составляла почти 65%: при массе пустого бака 2.5 т в него заправлялось 82 т жидкого кислорода. Но завод в Мичуде изготовил конструкцию лишь в феврале 1999 года, на год позже планового срока. А ведь первый полет X-33 первоначально планировалось выполнить в марте 1999 года!

 


* В системе VentureStar кислородный бак предполагалось выполнить из композитного материала


 

По мере проработки проекта росла расчетная стартовая масса VentureStar, достигнув 1500 т. Соответственно ухудшались экономические параметры. Еще хуже было то, что при испытаниях 3 ноября 1999 года разрушился один из композитных баков горючего, изготовленный в целях экономии в единственном экземпляре. В этот день выполнялся пятый (с сентября месяца) тест на заполнение бака жидким водородом и нагружение внутренним и внешним давлением. Последнее имитировало нагрузку от бака окислителя (жидкого кислорода), установленного сверху. Конструкция X-33 находится в таких условиях перед летными испытаниями, когда вертикально стоящий на стартовом столе аппарат заправляется топливом. Испытание успешно завершили, и бак просушили; испытатели готовились провести его очистку газообразным гелием. Примерно через два часа после этого один из инженеров, осматривающий бак через мониторы, обнаружил повреждение оболочки… К концу 2000 года NASA приняло решение отказаться от композитов для баков жидкого водорода и перейти на «старый добрый алюминий», но было уже поздно.

К тому времени NASA инвестировало в проект 922 млн. $, a Lockheed Martin – еще 357 млн. $, что существенно превысило первоначальный бюджет. Ни заказчик, ни генеральный подрядчик не имели финансовых резервов на продолжение работ. В связи с изменениями в сфере пускового бизнеса, а также проблем, вставших перед такими компаниями, как Globalstar, Teledesic и Iridium, наметился резкий и долговременный спад числа предполагаемых запусков коммерческих спутников, руководство Lockheed Martin посчитало, что дальнейшее развитие X-33 в частном порядке без государственной поддержки не будет прибыльным. А смена хозяина Белого дома – с Билла Клинтона на Джорджа Буша-младшего – вообще поставила крест на программе. Темп разработки резко снизился, и в марте 2001 года все работы по проекту X-33 и VentureStar прекратились. Единственный прототип X-33, готовый на 85% и имеющий 96% частей для окончательной сборки, был законсервирован на авиабазе Эдвардс, где уже стоял полностью готовый стартовый комплекс.

Причинами неудачи посчитали неэффективные взаимоотношения между заказчиком и исполнителем проекта, плохой менеджмент и неоправданно высокий риск принятых технических решений. NASA посчитало, что думать об одноступенчатых системах преждевременно…

Несмотря на отмену проекта как федеральной целевой программы, компания Lockheed Martin на собственные средства продолжила испытания некоторых элементов системы. 6 августа 2001 года на стенде Космического центра имени Стенниса был успешно испытан двигатель системы «линейный аэроспайк». К концу 2001 года инженеры смогли сделать рабочий бак жидкого кислорода из углеродного композиционного материала. 7 сентября 2004 года специалисты фирмы Northrop Grumman продемонстрировали NASA бак жидкого водорода, изготовленный из углеродного композита, который выдерживал многократные повторные заправки. Компания заключила, что успешные испытания позволяют уже в ближайшей перспективе разработать и уточнить новые производственные процессы, при помощи которых можно строить большие композитные емкости (в том числе баки для одноступенчатых носителей) без автоклава.

 

X-34

 

Начиная проект X-33/Venture Star, NASA инициировало две менее масштабные программы летных испытаний ключевых технологий RLV-демонстратора многоразовой верхней ступени носителя воздушного старта X-34 и прототипа возвращаемого космического аппарата X-37.

X-34 был летающей лабораторией для отработки технологий и операций, применимых при создании будущих недорогих многоразовых ракет-носителей, которые могли бы на порядок снизить удельную стоимость выведения полезных грузов на орбиту.

28 августа 1996 года NASA выдало компании Orbital Sciences Corp (OSC) из Даллеса, штат Вирджиния, 85.7 млн. $ на проектирование, разработку и летные испытания демонстратора. 50-месячный контракт включал постройку трех летных аппаратов. Следует заметить, что NASA потратило еще 16 млн. $ на продувки в аэродинамической трубе, разработку дублирующего варианты системы теплозащиты, мониторинга, наземное обеспечение, испытания двигателей и обеспечения полетов. OSC вложила 10 млн. $ своих средств на модификацию собственного самолета-носителя L-1011 для подвески под него X-34. Программа выполнялась под руководством Центра космических полетов имени Маршалла в Хантсвилле, штат Алабама.

Демонстратор оснащался одним жидкостным ракетным двигателем и был способен совершать суборбитальный полет с максимальной скоростью, соответствующей числу М=8, достигая высоты более 76 км.

Специально для X-34 в Центре Маршалла был разработан «дешевый» кислородно-керосиновый двигатель Fastrac, выполненный по открытой (незамкнутой) схеме и оснащенный частично многоразовой камерой сгорания с абляционным охлаждением. В проекте использовался новый для американцев подход: уменьшение числа блоков, применение уже готовых частей и агрегатов с использованием освоенных технологий. На проектирование двигателя ушло 2.5 года в отличие от средних 7 лет для предыдущих американских ракетных двигателей.

Первые испытания образца двигателя, имевшего ресурс семь полетов, успешно прошли в марте 1999 года в Центре Стенниса. Затраты на разработку оценивались в 35 млн. $, а стоимость одного штатного образца, изготовленного промышленными партнерами NASA, среди которых было несколько малых предприятий, не должна была превысить 1.2 млн. $. Подчеркивалось, что это примерно на четверть ниже расходов на выпуск аналогичного двигателя, не сконструированного с соблюдением условий простоты и низкой стоимости.

При летных испытаниях X-34 должен был стартовать с самолета-носителя L-1011, приобретенного и модифицированного OSC для воздушных пусков крылатой ракеты-носителя Pegasus. После отделения включается двигатель, и демонстратор совершает суборбитальный полет по заранее намеченной траектории с автоматизированным заходом на посадку и приземлением на обычную взлетно-посадочную полосу.

В 1998 году проекты X-34 и X-37 были объединены в одну комплексную программу Future-X, выполнявшуюся при активном участии ВВС. Предполагалось, что в результате ее реализации коммерческие многоразовые ракеты-носители будущего смогут снизить расходы на выведение полезных грузов на орбиту, чем создадут новые возможности для оборонных, научных, коммерческих и образовательных усилий, одновременно значительно улучшая конкурентоспособность экономики США на мировом рынке. Предполагалось, что NASA будет выступать в качестве заказчика пусков коммерческих многоразовых ракет-носителей, а не оператора, как в случае с системой Space Shuttle.

Ключевые технологии, которые планировалось продемонстрировать на X-34, включали:

легкие композитные конструкции планера, не требующие скрупулезной инспекции;

многоразовые теплоизолированные топливные баки и другие компоненты топливной системы из композиционных материалов;

перспективные системы теплозащиты, способные выдерживать полет на дозвуковой скорости во время дождя и тумана;

интегрированное (встроенное) бортовое радиоэлектронное оборудование, в том числе дифференциальная система глобального позиционирования и инерциальная навигационная система;

интегрированная автоматизированная система мониторинга и проверки состояния аппарата и его бортовых систем;

конформные системы сбора полетных данных, заменяющие традиционные приемники воздушного давления и датчики крена, не выдерживающие спуск в атмосфере при высоких температурах;

возможность безопасного прерывания полета с автоматическим заходом на посадку и приземлением при боковом ветре в 20 узлов (38 км/ч).

Планировалось, что во время летных испытаний X-34 выполнит в общей сложности 27 автономных полетов (как «безмоторных», так и с включением двигателя). Миссии без отделения демонстратора от самолета-носителя начались в июне 1999 года и служили для подтверждения летной годности связки L-1011–X-34.

Первый аппарат X-34, обозначенный А-1А, служил для серии буксировочных (рулёжных) испытаний на земле в Летно-исследовательском центре (ЛИЦ) имени Драйдена (NASA) на авиабазе Эдвардс в Калифорнии. Этот образец предполагалось использовать для серии бросковых тестов с самолета-носителя L-1011 над авиабазой Уайт Сэндз в Нью-Мексико без включения двигателя.

Параллельно фирма OSC должна была завершить сборку второго X-34, обозначенного как А-2. Этот аппарат, оснащенный «боевым» двигателем Fastrac, предполагалось подвергнуть огневым стендовым испытаниям на авиабазе Холломан в Нью-Мексико, после чего передать на летные испытания в ЛИЦ имени Драйдена.

Летный диапазон X-34 предполагалось расширять уже в первой серии из восьми «моторных» полетов, увеличивая скорость с М=2.2 до М=5. Затем А-2 должен был отправиться в Космический центр имени Кеннеди во Флориде для второй серии летных испытаний: планировалось развить скорость до М=4,6 и продемонстрировать возможность быстрого (в течение 24 ч) межполетного обслуживания, необходимого для многоразовых носителей будущего. Серия из семи рейсов должна была продолжаться около 100 дней.

Остальную часть программы летных испытаний в ЛИЦ имени Драйдена брал на себя третий экземпляр X-34, обозначенный как А-3. Его полеты расширяли характеристики ракетоплана до максимальной скорости, соответствующей числу М=8, и высоты полета в 250 тысяч футов (76,2 км), а также проводили дополнительные тесты технологий многоразового носителя, в том числе возможность нести дополнительную полезную нагрузку. Планировалось, что стоимость каждого полета по программе не превысит 500 тыс. $.

Центр Маршалла даже начал в 1999 году исследования по изучению воздействия полетов X-34 на окружающую среду – это было необходимо для официального утверждения программы летных испытаний. В Калифорнии, Нью-Мексико и Флориде рассматривались альтернативные точки посадки (не только X-34, но также и других экспериментальных аппаратов NASA ближайшего будущего). Другими штатами, вовлеченными в процесс, оказались Невада и Юта, которые X-34 должен был пролетать при пусках из Калифорнии. Эти штаты оценивались на возможность выполнения аварийных посадок. При полетах из Флориды аппарат мог садиться в Северной и Южной Каролине.

Однако автономные летные испытания так и не начались; X-34 поднимался в воздух лишь несколько раз без отделения от самолета-носителя. Проект столкнулся с теми же проблемами, что и X-33. В середине 2000 года программа подверглась тщательной проверке, которая выявила существенное отставание от запланированного графика, а также перерасход средств. С целью ускорения программы и снижения рисков были предложены мероприятия по упрощению конструкции и системы управления X-34. Однако они приводили к снижению и без того невысоких летных характеристик аппарата, соответствующих данным пилотируемого ракетоплана X-15 сорокалетней давности, а их реализация требовала вложения дополнительных 170 млн. $ к уже истраченным 205 млн. $. Компания OSC попыталась сократить расходы примерно на 50 млн. $ путем замены двигателя Fastrac на российский НК-39. Но это уже не могло спасти программу, и в 2001 году она была прекращена. X-37, как мы уже знаем, ждала более счастливая судьба: он был передан в ВВС, которые довели проект до полетов в космос.

 

X-38

 

Последним из американских «иксов» космического назначения, разрабатывавшихся в конце прошлого века, стал X-38. Он рассматривался в качестве прототипа корабля-спасателя для Международной космической станции (МКС). Подписывая документы о реализации проекта международного комплекса, NASA брало на себя обязательства создать аппарат, способный постоянно находиться на МКС и, в случае возникновения нештатной ситуации, обеспечивать быструю эвакуацию всех шести членов экипажа станции. На орбиту «космическую шлюпку» предполагалось доставлять в грузовом отсеке «Шаттла».

Программа «корабля для возвращения экипажа» CRV (Crew Return Vehicle), в рамках которой проектировался X-38, была инициирована в 1995 году. Формально, как и вся МКС, проект X-38 был международным: в нем кроме NASA принимали участие Европейское космическое агентство (ЕКА), французская аэрокосмическая компания Dassault, немецкие фирмы MAN Technologic и DASA, а также ряд других европейских организаций. Работы предусматривали постройку трех (в начале – четырех) летных экземпляров аппарата: двух для испытательных полетов в атмосфере, и одного – в космосе. Разработка проекта X-38 шла под руководством Центра Джонсона (NASA). Генеральным подрядчиком по изготовлению аппаратов выступила небольшая, но очень известная компания Scaled Composites Берта Рутана.

После проработки возможных решений, американцы выбрали для X-38 хорошо изученную схему аппарата с несущим корпусом с теоретическим контуром, фактически повторяющим обводы экспериментального космоплана X-24А 1960-70-х годов. Схема полета при выполнении основного задания предусматривала сход с орбиты, управляемый спуск в атмосфере на гиперзвуковой скорости и заход на посадку. Садиться на взлетно-посадочную полосу «по-самолетному» X-38 (как и собственно CRV) не мог, и должен был приземляться под куполом огромного (самого большой в мире) управляемого парашюта-крыла (параплана). Во-первых, низкое аэродинамическое качество несущего корпуса на дозвуке повышало посадочную скорость до 400 км/ч, что считалось явно неприемлемо. А, во-вторых, далеко не всегда для спасательного аппарата, готового к спуску с орбиты в любой момент, можно было подобрать подходящий аэродром. Точность парашютной посадки характеризовалась примерно девятикилометровым отклонением от расчетной точки приземления.

Проект был утвержден с очень «ограниченным» бюджетом 80 млн. $, который сочли достаточным для изготовления четырех экземпляров аппарата, что соответствовало выдвинутой в те годы руководством NASA концепции «быстрее, лучше, дешевле» (Faster, Better, Cheaper). На реализацию всей программы CRV, предусматривавшей изготовление и эксплуатацию четырех штатных кораблей, предполагалось израсходовать всего 500 млн. $. Однако после начала работ выявилось резкое несоответствие утвержденного бюджета реальным затратам, и NASA было вынуждено существенно увеличить ассигнования на разработку экспериментальных моделей, ограничившись при этом испытанием одного орбитального аппарата. Для сокращения затрат на испытания в конструкцию X-38 даже заложили коэффициент безопасности 3,0 вместо обычных 1,4. В рамках программы бросковых испытаний в атмосфере были изготовлены две модели – V-131 и V-132 – представляющие собой модель корабля CRV в масштабе 80% оригинала. Для орбитального полета готовили модель V-201, которая по размерам и массе была практически идентична штатному кораблю. Корпус моделей 130-й серии выполнялся в основном из композитов, у орбитального аппарата кабина экипажа и хвостовой отсек имели алюминиевую конструкцию и обшивку с покрытием из графито-цианатного материала на эфиро-эпоксидной основе. Для его теплозащиты предлагалось использовать усовершенствованные плитки корабля Space Shuttle. Двигательная установка X-38, которая должна была сбрасываться перед входом в плотные слои атмосферы, включала один основной двигатель тягой 95 кгс и восемь «рулевых», тягой по 11 кгс каждый.

Бросковые испытания аппаратов X-38 начались на авиабазе Эдвардс в марте 1998 года, на 10 месяцев позже плановых сроков. V-131, сброшенный с самолета-носителя В-52 на высоте 7000 м, служил для отработки техники развертывания парашютной системы. В ходе сброса произошел частичный разрыв одной из секций парашюта, но аппарат успешно приземлился. Второе испытание модели V-131 состоялось в феврале 1999 года и прошло успешно. После этого полета аппарат модернизировали: на нем установили макет стыковочного устройства и изменили форму хвостовой части фюзеляжа. Полеты усовершенствованной модели V-131R возобновились в конце 2000 года. Наиболее сложным стал восьмой сброс в декабре 2001 года. X-38 отцепили от самолета В-52 на высоте 13.7 км.

В течение минуты автономного полета модель развила скорость 805 км/ч. На высоте около 9 км началось раскрытие парашютной системы. При планирующем спуске, длившемся 12 мин, парашютом управлял по радиоканалу профессиональный астронавт, находящийся в Центре Драйдена. Испытание, успешно завершившееся посадкой модели с горизонтальной скоростью 64 км/ч, стало последним.

К середине 2002 года стоимость создания штатного корабля спасения оценивалась уже в 1.3–1.5 млрд. $. Из-за значительного перерасхода средств на развертывание и эксплуатацию МКС NASA объявило о прекращении работ как по аппаратам X-38, так и проекту CRV в целом. В целях экономии средств американцы предложили продолжать эксплуатацию станции с экипажем из трех человек с возможностью экстренного спуска на российском корабле «Союз», находящемся в составе комплекса. Закрытие X-38 вызвало естественную негативную реакцию европейских участников проекта, но они уже ничего не могли сделать.

 


 

 

Обобщенная таблица характеристик космопланов серии X

 

 

Х-30

 Х-33

 Х-34

 Х-38

Длина, м

 95.7

 21.0

 17.77

 9.14

Поперечный размер, м

 15.8

 23.5

 8.44

 4.42

Стартовая масса, т

 136.1

 129.3

 20.6

 11.34

Масса пустого, т

 59.9

 34.0

 8.2

 -

Двигательная установка:

 ГПВРД

 2 х J-2S

 1 х Fastrac

 -

- тяга, кН

 1440

 1825

 284

 0.922

- удельный импульс, сек

 1550

 440

 315

 285

Максимальная скорость полета, число М

 30

 >13

 8

 27

Максимальная высота полета, км

 450

 >100

 76

 450

  

В проектах американских космопланов конца XX века отразились все особенности работы американской аэрокосмической промышленности.

Некоторые эксперты считают, что в большинстве случаев налицо неоправданно широкое применение рискованных технических решений и новых, непроверенных технологий, ведущее к перерасходу средств. Изначально неверные (заниженные) оценки затрат и переоценка своих сил приводит к затягиванию сроков и снижает политическую поддержку сложных перспективных проектов. По сути, все они развивались по единому сценарию: завышенные тактико-технические требования и заниженные оценки затрат и сроков реализации проекта – применение самых передовых технологий и решений – возникновение технических проблем – затягивание сроков и перерасход средств – закрытие программы. Исключением может считаться X-37, но и его судьба была непростой.

Однако существует и другая точка зрения: большинство проектов данных экспериментальных аппаратов оказались брошены своими разработчиками на тех этапах, когда основные технические проблемы уже были решены или находились в процессе решения. Остановка работ, как правило, происходила под влиянием внешних факторов, например, из-за смены парадигмы всей программы, частью которой была данная разработка, или при исчезновении политической поддержки проекта «в верхах» (смена руководства страны в целом и/или основной организации-заказчика в частности). Кроме того, сама концепция опоры на демонстраторы при реализации крупномасштабных долгосрочных программ подразумевает возможность прекращения работ на любом этапе для того, чтобы впоследствии сэкономить гораздо большие средства, связанные с завершением экспериментально-опытного этапа и переходом на серийное производство и эксплуатацию в том случае, если разработка не пошла в нужном направлении или не дала необходимых результатов.


Поделиться в социальных сетях:
Опубликовать в Одноклассники
Опубликовать в Facebook
Опубликовать в Яндекс
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Google Buzz
Опубликовать в Мой Мир


При использовании опубликованных здесь материалов с пометкой «предоставлено автором/редакцией» и «специально для "Отваги"», гиперссылка на сайт www.otvaga2004.ru обязательна!


Первый сайт «Отвага» был создан в 2002 году по адресу otvaga.narod.ru, затем через два года он был перенесен на otvaga2004.narod.ru и проработал в этом виде в течение 8 лет. Сейчас, спустя 10 лет с момента основания, сайт переехал с бесплатного хостинга на новый адрес otvaga2004.ru