«Буранный полустанок» на пути во вселенную

В начале 1968 года космонавты — выпускники Военно-воздушной академии им. Н Е, Жуковского защищали необычный — комплексный — диплом. Сводным коллективом, в который вошли Г Титов, А. Николаев, А. Леонов, П. Попович, В. Быковский и другие, верховодил Ю. Гагарин. По предложению С. П. Королева ему предоставили полномочия Главного конструктора.

Эта дипломная работа, необычная способом своего написания, куда более удивительна темой. Речь шла о разработке аэрокосмического аппарата, космолета. По нынешнему — космического челнока… Для оживления фантазии Леонов выдал тогда и иллюстрированное приложение «в двух картинах». На первой в полном соответствии с проектом он изобразил самолет, с гиперзвуковой скоростью летящий на фоне черного неба. На другой — радостный миг посадки…

…Радостный миг посадки. Шасси космического корабля «Буран», буквально раскаленного после головокружительного «слалома» в плотной земной атмосфере, нежно и в то же время академически точно касается бетонки, С сухим орудийным треском вспыхивает шелк парашютных салютов. Робот-пилот ударяет по тормозам, «Буран» послушно останавливается где-то посередине полосы. Первый 205-минутный космический полет завершен.

Попытаемся ответить на вопрос; как же удалось создать этот гибрид искусственного спутника Земли и самолета, что способен в течение получаса сбросить скорость с 28 тыс. км/ч до 340?..

«Буран» действует в паре только с «Энергией» (обратное неверно: в отличие от «Шаттла» она способна вывозить на орбиту и «Буран», и любой другой груз массой выше ста тонн. Для справки: «Шаттл» на такое просто-напросто не способен, его возможности гораздо скромнее — 29,5 т, потому что его вторая ступень с основным ЖРД расположена на самом корабле. В этой особенности компоновки двигателей нашей универсальной многоразовой ракеты-носителя — все дело).

Напомним: центральный блок «Энергии» диаметром 8 и длиной 60 м несет на себе самолет-спутник, а также четыре боковых блока первой ступени. Каждый из них оканчивается самым мощным в мире четырехкамерным ЖРД с тягой по 800 т, работающим на кислороде и углеводородном горючем, суммарная тяга всех двигателей достигает 3600 т. К моменту обрыва от Земли мощность, развиваемая стартовыми двигателями, достигает 170 млн. л. с. Это вдесятеро больше, чем у самого мощного (до недавнего времени) отечественного носителя «Протон» и почти в 1,3 раза больше, чем у самой мощной американской ракеты «Сатурн-V».

Теперь проследим за развитием событий после взлета «Энергии». Примерно на 50-километровой высоте отстреливаются боковые блоки первой ступени. Отработав свое, они падают в заданном районе. Поскольку ракетные двигатели, а главное — электронная начинка блоков могут быть использованы не один, а несколько раз (в этом и заключается одна из сторон концепции многоразовости), их в будущем намечено снабдить системой спасения. Специальное устройство аэродинамического торможения замедлит их движение в атмосфере, вследствие чего они приземлятся в пределах территории нашей страны.

На высоте примерно 150 км от центрального блока отделяется и сам корабль. Его скорость к этому времени достигнет 6 км/с. «Энергия» в данном случае не выводит полезную нагрузку непосредственно на орбиту ИСЗ, иначе возвращение ее на Землю было бы затруднено. На опорную круговую орбиту космический челнок добирается с помощью собственных маршевых двигателей.

Чтобы стать искусственным спутником Земли, ему необходимо «добрать» недостающие 2 км/с. Поэтому еще дважды, в общей сложности на 100 с, запускается объединенная двигательная установка корабля. Наконец, освободившись от пут земного тяготения, «Буран» совершает свой первый виток в безвоздушном пространстве.

Этот летательный аппарат в одно и тоже время похож и на «располневший» сверхзвуковой истребитель, и на «похудевший» «Руслан». Треугольное крыло двойной стреловидности, элероны и другие органы управления, типичные для сверхскоростных машин, — все это свидетельство причастности к «сверхзвуковой» самолетной элите.

Главное в «Буране» — его способность транспортировать на орбиту грузы, причем немалые. В его довольно-таки объемистом корпусе, разделенном на три отсека — носовой, средний и хвостовой, — главное место занимает средний грузовой отсек шириной 4,6 и длиной 18,3 м (такой же и у «Шаттла»). Сюда ведет люк с открывающимися створками — они занимают большую часть длины фюзеляжа, здесь легко поместится базовый модуль станции «Мир», спутник связи или какой-либо иной груз массой до 30 т. В носовом отсеке размещена герметичная кабина для будущих экипажей, ее объем 73 м — (Пока еще идут испытания многочисленных систем, здесь царствует электронный мозг робота-пилота.)

В хвостовой части корабля смонтированы двигатели, предназначенные для маневрирования на орбите. Кроме того, и в носовой, и в хвостовой частях фюзеляжа установлены блоки сопел управляющих газодинамических двигателей — они включаются при маневре в разреженных слоях атмосферы.

Пожалуй, за всю историю авиации и космонавтики аэродинамикам, прочнистам, материаловедам да и другим специалистам не приходилось решать столь сложных, подчас противоречивых задач. С одной стороны, конструкция космолета должна быть легкой, с безупречным аэродинамическим профилем, с другой — она не должна терять трудоспособности в самых тяжелых температурных и прочих условиях, должна легко переносить вибрацию и удары, ледяной холод космоса и плазменный жар аэродинамического торможения. При спуске в плотных слоях атмосферы температура «наветренных» кромок крыльев, фюзеляжа, двигателей подскакивает до 1500–1600 °C, что выше точки плавления традиционных материалов. Впрочем, последних в конструкции «Бурана», пожалуй, и не сыскать. Даже металлу века — алюминию и его сплавам пришли на смену более прочные и стойкие титановые, бериллиевые, ниобиевые сплавы, а также неметаллические и композиционные материалы с различными наполнителями. Разумеется, прежде чем попасть на борт «Бурана», они всесторонне испытывались и в лабораторных. и в космических условиях. Как и в случае со «Спейс Шаттлом», предметом особых забот конструкторов «Бурана» стало создание надежного теплозащитного покрытия. Ведь область гиперзвуковых полетов (речь идет о скоростях свыше 5 м, то есть впятеро превышающих скорость звука) до последнего времени оставалась «терра…», а лучше сказать «аура инкогнита» для наисовременнейших образцов авиационной техники. Как бы ни бушевали плазменные смерчи на плоскостях спускающегося с орбиты аппарата, температура силовой оболочки корпуса не должна превысить 150 °C, иначе — потеря необходимых прочностных качеств. Мощный тепловой удар принимала на себя и успешно гасила теплозащита «Бурана», Девять тонн — такова масса высокотемпературной «кольчуги». Составлена она из почти 39 тысяч элементов, отличающихся друг от друга размерами и тепло-физическими свойствами. Корпус облицован плитками, в основе которых — тончайшее кварцевое волокно и гибкие элементы высокотемпературной органики, Носовой кок, передние кромки киля, крыльев, где тепловые напряжения наиболее сильны, защищены покрытием из специального, созданного на основе углерода, конструкционного материала.

На первый взгляд теплозащитные бляшки ничего из себя не представляют: они довольно мягкие, даже ногтем можно их повредить, оставить след. А вот расплавленный металл, попав на их поверхность, никакого ущерба поверхности, напротив, не причиняет. Свойства их таковы, что даже после огненной купели поверхность можно потрогать рукой — она как бы впитывает, консервирует в себе жар.

Любопытная деталь. Каждая почти из 39 тысяч плиток изготавливается индивидуально на специальных координатно-расточных станках с ЧПУ, ведь чтобы добиться высоких аэродинамических характеристик самолета-спутника, ему при облицовке нужно придать строго определенную форму. Ни один лекальщик не удержит в своей памяти такое количество заготовок, а тем более не упомнит место их установки на планере. Поэтому, начиная от момента проектирования плитки (даже не плитки, а компьютерной программы на ее изготовление) и кончая испытаниями и эксплуатацией, каждый из теплозащитных элементов снабжается паспортом, хранящимся, разумеется, в памяти компьютера. Подобная предусмотрительность (а она характерна едва ли не для каждой из полусотни систем «Бурана») позволяет знать фактический ресурс, а также контролировать качество испытываемых и эксплуатируемых систем. Чтобы полнее представить, какой «букет» химических, теплофизических, прочностных и даже радиотехнических свойств пришлось соединить вместе специалистам только в одном этом изделии, назовем некоторые из предъявляемых к ним требований. Теплозащитные плитки должны быть минимального удельного веса, иметь отменную теплостойкость, обладать минимальным коэффициентом линейного расширения, не должны реагировать с чистой воздушной плазмой, быть радиопрозрачными и т. д. и т. п. Ну а насколько удалось соединить несоединимое, показал послеполетный осмотр «Бурана», когда придирчивые эксперты не досчитались на нем лишь нескольких плиток.

Впрочем, мы забежали несколько вперед, Поэтому вернемся мысленно на борт корабля, который совершил два витка вокруг Земли и готовится к спуску.

Представьте себе, как спускаемый на воду океанский лайнер мчится по стапелям, набирая скорость, и плюхается брюхом в воду. Так и «Буран». На скорости, почти в три десятка раз превышающей скорость пули, разогнавшийся по орбите космолет бухается в атмосферу «животом», оберегая стекла кабины и другие слабо теплозащищенные места и, наоборот, подставляя наиболее термостойкие — они черного цвета — на нижней части фюзеляжа и крыльев,

Отметим еще одно немаловажное обстоятельство, без которого спуск с орбиты невозможен. Перед самым прыжком маршевые двигатели по команде бортовой ЭВМ должны развернуть корабль против направления полета. Включится тормозной импульс, и только после его отработки «Буран» под строго определенным углом ворвется в плотные слои атмосферы. Если угол окажется меньше оптимального — возможен «блинчик», корабль отрикошетирует от атмосферы, как плоский камешек от воды, если больше — зароется носом и обгорит!

В нашем случае атмосферный «слалом» завершился успешно. Крылья и другие аэродинамические плоскости помогали управлять аппаратом минут около двадцати. Это дало возможность одному из испытателей сострить: «Буран» летит, как большой утюг с маленькими крылышками. Около двадцати минут, пока плазма бушевала за бортом, научные корабли, спутниковые системы, державшие на протяжении всего полета «Буран» под неусыпным надзором, потеряли его из виду… Буран вырвался из плазменного плена, когда высота его полета составляла 40 км, а до посадочной полосы оставалось 400 км. Во время скоростного спуска его не спутать ни с одним самолетом, даже находящимся в боевом пикировании: эта посадка без двигателя столь крута, что временами похожа на падение…

Ну а как быть, если во время полета возникают непредвиденные обстоятельства, заставляющие прекратить полет? И этот случай предусмотрели создатели корабля, который способен совершать управляемый спуск в атмосфере с боковым маневром, до 2000 км отклоняясь от трассы спуска! Это важное обстоятельство позволит сесть на один из трех аэродромов практически во всех возможных случаях.

…Огромный черно-белый «Буран» бесшумной тенью вывалился из облаков и носом опасно устремился к Земле Но у полосы выровнялся, выпустил шасси, предельно точно и аккуратно, «как учили», коснулся полосы. Остановился прямо напротив диспетчерской и лишь но метр сбоку от оси полосы. Отклонение от графика составило 1 с.

Предвидим закономерный вопрос: почему так отстали мы с запуском «Бурана» — ведь американские «Шаттлы» начиная с 1981 года по 1986 год (пока не случилась катастрофа с «Челленджером») побывали в космосе 24 раза?

На этот счет бытует много мнений.

Но вот компетентное суждение специалистов.

— Мы отнюдь не отстаем от США, если говорить о развитии космонавтики в целом, — говорит председатель Государственной комиссии М. К. Керимов. — Действительно, запаздываем в создании кораблей многоразового использования, зато значительно опережаем в разработке и эксплуатации долговременных орбитальных станций и тяжелых носителей. Сосредоточить же силы и средства сразу на двух таких крупных направлениях чрезвычайно трудно. В сущности, этого мнения придерживаются и составители доклада из исследовательской службы конгресса США «Советские космические программы 1981–1987», написанного задолго до запуска «Бурана», ни одна страна не опережает другую в космосе. Результаты сравнений меняются в зависимости от аспектов деятельности. Возможно, сама концепция «гонки в космосе» в нынешней обстановке неуместна.

А вот взгляд на «Буран» «изнутри».

— Мы уделяем очень большое внимание, а вместе с тем и необходимые средства долговременным орбитальным программам, — говорит летчик-испытатель И. Волк. — И нельзя работу в космосе сравнивать с гонкой на скорость, стадионным забегом. Каждая сторона разрабатывает более необходимую для нее в данный момент задачу. Речь идет не о том, чтобы сделать корабль раньше кого-то, а о том, чтобы выйти на новый этап применения космической техники, Многоразовый космический корабль не самоцель, он должен иметь конкретную работу в космосе, совершать заданную операцию. Тогда его время настало. Он не заменит долговременную орбитальную станцию или технологическую установку. Он выполнит свою роль в комплексе с ними, В будущем «Бурану» придется выполнять ту же работу, что делает сейчас «Аэрофлот». Только «потолок» возрастет до космоса.

Как бы там ни было, успешным запуском «Энергии» — «Буран» начинается новый виток отечественной космонавтики. Впереди — двух-, четырехнедельные полеты на орбитальных многоразовых кораблях, доставка на орбиту крупногабаритных грузов, стыковки с космическими платформами. Новый носитель позволяет всерьез подойти к фантастическим проектам освоения Венеры, Марса, Солнечной системы. Мирным проектам.

— Мы не скрываем, — сказал начальник Главкосмоса СССР А. Дунаев, — что в наших планах стыковка орбитального корабля «Буран» со станцией второго поколения «Мир» (в пилотируемом варианте его экипаж 2–4 человека, могут быть еще и пассажиры) — Нельзя забывать и о том, что в настоящее время некоторые спутники большой стоимости после истечения ресурса остаются на орбите — многоразовые корабли могут возвращать их на Землю… Предполагаем, что «Буран» будет стартовать от одного до четырех раз в год для выполнения уникальных задач в ближнем космосе.

Естественно, один «Буран» — это мало, у нас в настоящее время ведется строительство новых космических кораблей.

Наша справка. «Спейс Шаттл» предназначен для вывода космических аппаратов на геоцентрические орбиты высотой 200–500 км. Имея отсек полезного груза с габаритами 18,3 x 14,6 м он может доставлять на Землю выработавшие свой ресурс аппараты, а после их ремонта или модификации вновь выводить на орбиту. «С. Ш.» является одним из элементов космической транспортной системы, включающей также межорбитальные буксиры для перевода полезного груза, выведенного на низкую геоцентрическую орбиту, на более высокую, вплоть до стационарной или даже межпланетной (лунной) траектории. Его возможности используются в военных целях: для вывода в околоземное пространство военных связных, метеорологических, разведывательных спутников с его помощью планируется создавать военные базы, командные пункты, системы противоракетной обороны космического базирования.

Максимальный полезный груз при выводе на круговую орбиту высотой 185 км с наклонением 28° — 29,5 т. Груз, доставляемый с орбиты на Землю, — 14,4 т против 20 т. у «Бурана». Номинальная длительность орбитального полета — 7 суток, а при наличии дополнительных запасов расходуемых материалов она может увеличиваться до 30 суток. Численность экипажа 7 человек, из них 4 человека — исследователи и экспериментаторы, не являющиеся профессиональными космонавтами. Полет совершается без скафандров, разумеется, за исключением выходов в открытый космос. Перегрузки на всех участках полета не превышают 3 единиц.

Стартовая масса «С. Ш.», выполненного по двухступенчатой схеме с параллельным расположением ступеней, — около 2 тыс. т, длина — 56 м. При старте (вертикальном) включаются двигатели обеих ступеней.

На высоте около 40 км два твердотопливных блока-ускорителя первой ступени отделяются и с помощью парашютной системы опускаются в океан. Затем они буксируются к стартовому комплексу и после восстановительного ремонта и повторного снаряжения топливом используются вновь до 20 раз. Вторая орбитальная ступень — крылатая пилотируемая. Ее основная двигательная установка использует жидкое топливо из внешнего сбрасываемого бака — единственного одноразового элемента.

Каждый твердотопливный блок первой ступени имеет массу 584 т, длину 45,7 м, диаметр 3,71 м, среднюю тягу 12,4 МН (1200 Т), продолжительность работы 122 с. Масса орбитальной ступени 111 т, ее длина 37,3 м, высота по килю 17,3 м, размах крыла 23,8 м. Каркас и обшивка ступени изготовлены из алюминиевого сплава, теплозащита из композиционного материала «углерод-углерод», кварцевого волокна или специального войлочного материала (в зависимости от степени нагрева защищаемого участка). Основная двигательная установка состоит из трех кислородно-водородных жидкостно-реактивных двигателей с максимальной продолжительностью непрерывной работы 8 мин и общим ресурсом 7,5 ч. ЖРД рассчитан на 55 полетов. На ступени предусмотрены два ЖРД маневрирования тягой по 27 кН, работающих на четырехокисном азоте и монометилгидразине, и 44 ЖРД ориентации, работающих на том же топливе. ЖРД маневрирования обеспечивает довыведение ступени на орбиту после отделения внешнего топливного бака, коррекцию орбиты, сближение с другими орбитальными объектами и торможение для схода с орбиты. ЖРД ориентации работают как на орбите, так и при входе в атмосферу, пока не становятся эффективными аэродинамические поверхности. Орбитальная ступень оснащается комплексной системой навигации, наведения и управления, способной работать как в автоматическом, так и в ручном режиме. Пилоты используют ручки управления и педали.