Космический БОР
История отработки Летно-исследовательским институтом им. М.М. Громова беспилотных орбитальных ракетопланов
В славном ряду отечественных ученых, положивших начало освоению космического пространства, стоит коллектив Летно-исследовательского института (ЛИИ) им. М. М. Громова, предприятия, явившегося, фактически колыбелью первого отряда космонавтов, базой для разработки и испытаний ключевых систем космических аппаратов, перспективных многоразовых авиационно-космических систем.
Рассказывая о работах ЛИИ им. М. М. Громова в интересах освоения космического пространства, невозможно обойти вниманием работы по исследованию проблем освоения гиперзвуковых полетов по теме БОР (Беспилотный Орбитальный Ракетоплан). Эти работы вобрали в себя многолетний опыт создания и исследований на крупномасштабных моделях. В середине 1960-х годов в связи с разработкой в ОКБ А. И. Микояна воздушно-космического самолета «Спираль» в ЛИИ под руководством Сергея Юданова, Геннадия Владычина и Анатолия Кондратова началось создание исследовательского аппарата БОР, имевшего аэродинамическую компоновку воздушно-космического самолета.
В ходе проведенных в 1969-1974 годах запусков суборбитальных летательных аппаратов БОР были впервые получены данные о характеристиках аппарата аэродинамической компоновки типа «несущий корпус».
В 1977 году работы по теме БОР были перенацелены на проведение опережающих исследований в интересах создания космического корабля многоразового использования «Буран».
Для отработки элементов теплозащиты «Бурана» был создан исследовательский летательный аппарат БОР-4 - первый отечественный орбитальный воздушно-космический аппарат (ВКА), первый в мире орбитальный ВКА типа «несущий корпус».
Решением Комиссии по военно-промышленным вопросам при Президиуме Совета министров СССР № 159 от 20 июня 1977 года и № 319 от 13 декабря 1978 года ЛИИ (имя Михаила Михайловича Громова институту было присвоено лишь в апреле 1986 года. - Ред.) был определен головной организацией по созданию воздушно-космического аппарата БОР-4, летно-экспериментального комплекса БОР-4 и проведению летных исследований.
Разработка летно-экспериментального комплекса и летные исследования по программе БОР-4 проводились совместно с НПО «Молния», Тушинским машиностроительным заводом (ТМЗ), ПО «Полет», НИИ автоматики и приборостроения (НИИ АП), НИИ автоматических устройств (НИИ АУ), Московским машиностроительным заводом (ММЗ) «Звезда», ЦАГИ и другими институтами, предприятиями, организациями и воинскими частями.
Целью создания аппарата БОР-4 была отработка теплозащиты орбитального корабля «Буран», а также опережающие летные исследования проблем создания воздушно-космических аппаратов. В период 1982-1984 годов было осуществлено 4 запуска ВКА БОР-4 с посадкой в Индийском океане («Космос-1374», «Космос-1445») и в Черном море («Космос-1519», «Космос-1614»).
За шесть лет до полета «Бурана» на экспериментальном орбитальном ВКА БОР-4 в условиях реального полета, близких к условиям полета орбитального корабля, была проведена широкая программа опережающих летных исследований, в результате которых:
Данные результаты в диапазоне чисел Маха от 2,8 до 3 были получены впервые в практике отечественной аэрокосмонавтики. Научный анализ результатов летных экспериментов проводился в ЛИИ. Полученные в летном эксперименте на БОР-4 данные использовались в качестве эталонных при оценке методов частичного моделирования в гиперзвуковых аэродинамических трубах, а также для апробации, подтверждения и корректировки расчетных методов и методик наземного стендового эксперимента. В частности, скорректированы математические модели теплообмена и расчетные методики.
Впервые в отечественной практике летных исследований было обеспечено подобие модели (нижняя поверхность ВКА БОР-4) и натуры (нижняя поверхность носовой части «Бурана» на дистанции 4 м) одновременно по критериям числа Маха и числа Рейнольдса. Идентичность условий полета и неравновесного обтекания модели БОР-4 и «Бурана», обусловленная совпадением их обводов в плоскости симметрии, равенством радиуса кривизны в критической точке носового затупления, равенством удельной нагрузки на крыло G/S (отношение нагрузки на поверхность крыла к его площади) и возможностью получить практически совпадающие траектории спуска в координатах Н/V (высота - дальность) управлением в полете углом крена, обеспечило газодинамическое подобие параметров воздушной плазмы, одинаковый отход ударной волны, равенство параметров пограничного слоя и совпадение физико-химических процессов, а также обеспечило идентичность условий теплообмена, в том числе температуры, давления и значений констант скоростей каталитической рекомбинации.
Таким образом, в сжатые сроки был создан и отработан летно-экспериментальный комплекс, обеспечивающий воспроизведение условий снижения в атмосфере ВКА.
В рамках программы БОР была осуществлена разработка летно-экспериментального комплекса и летные исследования по программе БОР-4с, осуществленные ЛИИ совместно с НПО «Молния», ТМЗ, ПО «Полет», НИИ АП, НИИ АУ, ММЗ «Звезда», ЦАГИ и другими институтами, предприятиями, организациями и воинскими частями. В ходе полета 5 декабря 1980 года были проведены летно-конструкторские испытания орбитального летно-экспериментального комплекса БОР-4 на суборбитальной траектории полета, а также опережающие летные исследования проблем создания воздушно-космических аппаратов. Этими экспериментами была подтверждена достаточная степень отработки ВКА БОР-4 и летно-экспериментального комплекса в целом для орбитального полета, проведены летные исследования аэротермодинамики, теплозащиты и управления ВКА. Получены оценки аэродинамических характеристик, в том числе эффективности аэродинамических органов управления, балансировочных характеристик на всех режимах полета, данные по ламинарно-турбулентному переходу.
Для уточнения аэродинамических характеристик орбитального корабля «Буран» предназначался летательный аппарат БОР-5, представлявший собой его геометрически подобную модель.
Завершающим из данной линейки ВКА стал, разработанный в период с 1984-1994 годов, но не испытанный на практике аппарат БОР-6с, созданный с целью исследование системы радиосвязи через плазму орбитального корабля «Буран» на участке спуска в атмосфере. Разработка летно-экспериментального комплекса (ЛЭК) БОР-6 проводились ЛИИ им. М. М. Громова совместно с НПО «Энергия», ОКБ МЭИ, НПО «Молния», ТМЗ, ПО «Полет», НИИ АП, НИИ АУ, ЦАГИ и другими предприятиями. Был разработан эскизный проект ЛЭК БОР-6, проведена отработка теплозащиты и ряда бортовых систем и оборудования, изготовлен первый летный экземпляр БОР-6 № 601. Работы по программе БОР-6 были остановлены в 1991 году.
Можно смело утверждать, что ЛИИ им. М. М. Громова стал лидером в области пионерских исследований верхних слоев атмосферы на ракетах-лабораториях, исследований вопросов вхождения аэрокосмических аппаратов в атмосферу на моделях серии БОР.
Текст: Евгений Пушкарский (генеральный директор ЛИИ им. М.М. Громова), Денис Лебедев (заместитель начальника научно-исследовательского центра ЛИИ им. М.М. Громова)
В славном ряду отечественных ученых, положивших начало освоению космического пространства, стоит коллектив Летно-исследовательского института (ЛИИ) им. М. М. Громова, предприятия, явившегося, фактически колыбелью первого отряда космонавтов, базой для разработки и испытаний ключевых систем космических аппаратов, перспективных многоразовых авиационно-космических систем.
Рассказывая о работах ЛИИ им. М. М. Громова в интересах освоения космического пространства, невозможно обойти вниманием работы по исследованию проблем освоения гиперзвуковых полетов по теме БОР (Беспилотный Орбитальный Ракетоплан). Эти работы вобрали в себя многолетний опыт создания и исследований на крупномасштабных моделях. В середине 1960-х годов в связи с разработкой в ОКБ А. И. Микояна воздушно-космического самолета «Спираль» в ЛИИ под руководством Сергея Юданова, Геннадия Владычина и Анатолия Кондратова началось создание исследовательского аппарата БОР, имевшего аэродинамическую компоновку воздушно-космического самолета.
В ходе проведенных в 1969-1974 годах запусков суборбитальных летательных аппаратов БОР были впервые получены данные о характеристиках аппарата аэродинамической компоновки типа «несущий корпус».
В 1977 году работы по теме БОР были перенацелены на проведение опережающих исследований в интересах создания космического корабля многоразового использования «Буран».
Для отработки элементов теплозащиты «Бурана» был создан исследовательский летательный аппарат БОР-4 - первый отечественный орбитальный воздушно-космический аппарат (ВКА), первый в мире орбитальный ВКА типа «несущий корпус».
Решением Комиссии по военно-промышленным вопросам при Президиуме Совета министров СССР № 159 от 20 июня 1977 года и № 319 от 13 декабря 1978 года ЛИИ (имя Михаила Михайловича Громова институту было присвоено лишь в апреле 1986 года. - Ред.) был определен головной организацией по созданию воздушно-космического аппарата БОР-4, летно-экспериментального комплекса БОР-4 и проведению летных исследований.
Разработка летно-экспериментального комплекса и летные исследования по программе БОР-4 проводились совместно с НПО «Молния», Тушинским машиностроительным заводом (ТМЗ), ПО «Полет», НИИ автоматики и приборостроения (НИИ АП), НИИ автоматических устройств (НИИ АУ), Московским машиностроительным заводом (ММЗ) «Звезда», ЦАГИ и другими институтами, предприятиями, организациями и воинскими частями.
Целью создания аппарата БОР-4 была отработка теплозащиты орбитального корабля «Буран», а также опережающие летные исследования проблем создания воздушно-космических аппаратов. В период 1982-1984 годов было осуществлено 4 запуска ВКА БОР-4 с посадкой в Индийском океане («Космос-1374», «Космос-1445») и в Черном море («Космос-1519», «Космос-1614»).
За шесть лет до полета «Бурана» на экспериментальном орбитальном ВКА БОР-4 в условиях реального полета, близких к условиям полета орбитального корабля, была проведена широкая программа опережающих летных исследований, в результате которых:
- осуществлена отработка материалов, покрытий, основных элементов конструкции углерод-углеродной, плиточной и гибкой теплозащиты орбитального корабля «Буран», подтверждена их работоспособность в условиях реального полета. Материалы испытаний использованы в технических заключениях о готовности «Бурана» к первому полету;
- существенно уточнены максимальные температуры различных элементов конструкции носового обтекателя, нижней несущей и верхней поверхности корпуса, донной области, в межплиточных зазорах. Установлено, что полетные максимальные температуры ниже расчетных до 200-250 градусов, что позволило уменьшить толщину и массу теплозащиты «Бурана»;
- установлено, что тепловой поток к точке торможения ниже расчетно-экспериментальных оценок на 40 %;
- выявлен перегрев теплозащиты в межплиточных зазорах в зонах с большим градиентом давления. Для его устранения введено межплиточное уплотнение и скорректированы требования к межплиточным зазорам;
- установлено существенное влияние каталитических свойств поверхности теплозащитных материалов на теплообмен, при этом в некоторых зонах температура поверхности уменьшалась на 200-300 градусов;
- проведены исследования аэродинамических и тепловых характеристик ВКА типа «несущий корпус» и влияния на них различных факторов;
- установлено, что неравновесные процессы в ударном слое и процессы каталитической рекомбинации на поверхности ВКА оказывают значительное (до двух порядков) влияние на распределение концентрации электронов по высоте ударного слоя;
- подтверждена состоятельность аэродинамической компоновки «несущий корпус» во всем диапазоне гиперзвуковых скоростей - от орбитальных до сверхзвуковых, уточнены аэродинамические силовые и моментные характеристики, тепловые нагрузки и реализуемые на элементах конструкции температуры;
- определены условия плазмообразования;
- апробирован метод тепловой защиты тонкопрофильного крыла за счет поглощения тепла при фазовых переходах воды.
Данные результаты в диапазоне чисел Маха от 2,8 до 3 были получены впервые в практике отечественной аэрокосмонавтики. Научный анализ результатов летных экспериментов проводился в ЛИИ. Полученные в летном эксперименте на БОР-4 данные использовались в качестве эталонных при оценке методов частичного моделирования в гиперзвуковых аэродинамических трубах, а также для апробации, подтверждения и корректировки расчетных методов и методик наземного стендового эксперимента. В частности, скорректированы математические модели теплообмена и расчетные методики.
Впервые в отечественной практике летных исследований было обеспечено подобие модели (нижняя поверхность ВКА БОР-4) и натуры (нижняя поверхность носовой части «Бурана» на дистанции 4 м) одновременно по критериям числа Маха и числа Рейнольдса. Идентичность условий полета и неравновесного обтекания модели БОР-4 и «Бурана», обусловленная совпадением их обводов в плоскости симметрии, равенством радиуса кривизны в критической точке носового затупления, равенством удельной нагрузки на крыло G/S (отношение нагрузки на поверхность крыла к его площади) и возможностью получить практически совпадающие траектории спуска в координатах Н/V (высота - дальность) управлением в полете углом крена, обеспечило газодинамическое подобие параметров воздушной плазмы, одинаковый отход ударной волны, равенство параметров пограничного слоя и совпадение физико-химических процессов, а также обеспечило идентичность условий теплообмена, в том числе температуры, давления и значений констант скоростей каталитической рекомбинации.
Таким образом, в сжатые сроки был создан и отработан летно-экспериментальный комплекс, обеспечивающий воспроизведение условий снижения в атмосфере ВКА.
В рамках программы БОР была осуществлена разработка летно-экспериментального комплекса и летные исследования по программе БОР-4с, осуществленные ЛИИ совместно с НПО «Молния», ТМЗ, ПО «Полет», НИИ АП, НИИ АУ, ММЗ «Звезда», ЦАГИ и другими институтами, предприятиями, организациями и воинскими частями. В ходе полета 5 декабря 1980 года были проведены летно-конструкторские испытания орбитального летно-экспериментального комплекса БОР-4 на суборбитальной траектории полета, а также опережающие летные исследования проблем создания воздушно-космических аппаратов. Этими экспериментами была подтверждена достаточная степень отработки ВКА БОР-4 и летно-экспериментального комплекса в целом для орбитального полета, проведены летные исследования аэротермодинамики, теплозащиты и управления ВКА. Получены оценки аэродинамических характеристик, в том числе эффективности аэродинамических органов управления, балансировочных характеристик на всех режимах полета, данные по ламинарно-турбулентному переходу.
Для уточнения аэродинамических характеристик орбитального корабля «Буран» предназначался летательный аппарат БОР-5, представлявший собой его геометрически подобную модель.
Завершающим из данной линейки ВКА стал, разработанный в период с 1984-1994 годов, но не испытанный на практике аппарат БОР-6с, созданный с целью исследование системы радиосвязи через плазму орбитального корабля «Буран» на участке спуска в атмосфере. Разработка летно-экспериментального комплекса (ЛЭК) БОР-6 проводились ЛИИ им. М. М. Громова совместно с НПО «Энергия», ОКБ МЭИ, НПО «Молния», ТМЗ, ПО «Полет», НИИ АП, НИИ АУ, ЦАГИ и другими предприятиями. Был разработан эскизный проект ЛЭК БОР-6, проведена отработка теплозащиты и ряда бортовых систем и оборудования, изготовлен первый летный экземпляр БОР-6 № 601. Работы по программе БОР-6 были остановлены в 1991 году.
Можно смело утверждать, что ЛИИ им. М. М. Громова стал лидером в области пионерских исследований верхних слоев атмосферы на ракетах-лабораториях, исследований вопросов вхождения аэрокосмических аппаратов в атмосферу на моделях серии БОР.
Текст: Евгений Пушкарский (генеральный директор ЛИИ им. М.М. Громова), Денис Лебедев (заместитель начальника научно-исследовательского центра ЛИИ им. М.М. Громова)