Горящие за других: Термосы и крылья

Дорогу советским пилотируемым космическим аппаратам прокладывали БОРы – Беспилотные Орбитальные Ракетопланы. Именно на них отрабатывалась теплозащита, без которой космический корабль просто сгорел бы при входе в плотные слои атмосферы.

Подобной спасательной операции мир еще не видел. 3 июня 1982 года к архипелагу Кокосовых островов наперегонки устремились австралийские и советские поисковые корабли (включая даже семь боевых кораблей Черноморского флота!). Искали они вовсе не потерпевшее кораблекрушение судно, а небольшой необычный «самолетик». Вопреки ожиданиям, советский корабль, первым обнаруживший объект поиска, не стал даже близко подходить к нему. На воду была спущена лодка с гражданскими специалистами, основной задачей которых было ввести в бортовую систему плавающего аппарата специальный секретный код, блокирующий систему самоликвидации. Без этого кода аппарат, по сути, представлял собой свободно плавающую морскую мину: система самоликвидации препятствовала любым попыткам поднятия или транспортировки. И только после обезвреживания «самолетика» наш поисковый корабль под пристальным наблюдением австралийских ВМС поднял его на свою палубу. Четыре других советских военных корабля «прикрывали» эту операцию. И было от чего! К этому моменту в районе приводнения находились уже не только военные корабли и самолеты-разведчики, но и палубные вертолеты ВМС Австралии. Так проходила операция по подъему приводнившегося в Индийском океане космического аппарата БОР-4. Однако БОР-4 был далеко не первым советским экспериментальным ракетопланом.

Деревянный космоплан

Аппараты «БОР» были задуманы и построены в рамках программы создания боевого космического самолета «Спираль» (см. «ПМ» №9, 2004). Конструкторы хотели в условиях реального космического полета проверить выбранную форму аппарата типа «несущий корпус».

Первый аппарат — «БОР-1» — являлся копией орбитального самолета «Спираль» в масштабе 1:3, имел длину 3 м, массу 800 кг и был... цельнодеревянным! Он был запущен ракетой-носителем «Космос-2» (11К65) 15 июля 1969 года на высоту 100 км. При входе в плотные слои атмосферы со скоростью 13 000 км/ч аппарат сгорел, но на высоте 60−70 км была получена ценная телеметрическая информация о возможности устойчивого управляемого спуска несущего корпуса выбранной формы.

Аппараты «БОР-2» и «БОР-3», изготовленные в масштабе 1:3 и 1:2 соответственно, были выполнены уже из металла, имели одноразовую (уносимую набегающим воздушным потоком) абляционную теплозащиту и запускались в космос по баллистической траектории той же ракетой.

Но программа «Спираль» была закрыта, а вместо нее в 1976 году в СССР началась разработка многоразового космического корабля «Буран». Для «Бурана» требовалась легкая и надежная многоразовая теплозащита, которую тоже нужно было отрабатывать в реальных условиях. И тут Главный конструктор «Бурана» Глеб Евгеньевич Лозино-Лозинский вспомнил о своих аппаратах «БОР». Эти аппараты подходили для испытаний теплозащиты советского шаттла как нельзя лучше — они уже были испытаны в космосе.

Противопожарные меры

У спускаемых аппаратов космических кораблей, не способных к планированию, температура лобовых поверхностей может достигать нескольких тысяч градусов. В таких случаях, как правило, используется теплозащита на основе абляционных материалов, принцип действия которых основан на нагреве и последовательном уносе за счет оплавления, испарения, разложения и химической эрозии раскаленного поверхностного слоя. Наибольшее применение получили обугливающиеся пластмассы на основе фенольных, кремнийорганических и других синтетических смол, содержащих в качестве наполнителей углерод (в том числе графит), двуокись кремния (кремнезем, кварц), найлон. Абляционная защита — одноразовая и тяжелая, а потому для «Бурана» она не подходила.

Крылатые корабли способны планировать, что позволяет снизить максимальные температуры поверхности при спуске до значений 1200−1700оС. Это делает возможным создание многоразовой теплозащиты на основе углеродных и кварцевых материалов.

Для «Бурана» нужно было создать многоразовое покрытие: легкую керамическую плитку и гибкую войлочную теплозащиту, покрывающие основную поверхность корабля, и жаростойкую конструкцию из композита «углерод-углерод» для применения в носовой части и на передних кромках крыла.

Были проведены наземные испытания, имитирующие космический полет и условия входа в атмосферу: опытные образцы покрытий испытывались в тепловакуумных плазменных установках. Затем покрытия были испытаны на самолетах-лабораториях Ил-18 и МиГ-25. И наконец, испытания в космосе на моделях «БОР-4» должны были подтвердить работоспособность теплозащиты в условиях реального полета.

Анатомия БОР-4

«БОР-4», разработанный в Летно-исследовательском институте (ЛИИ) имени Громова, представлял собой беспилотную уменьшенную копию «Спирали» в масштабе 1:2. Он имел длину 3,4 м, размах крыла 2,6 м, стартовую массу около 1450 кг, массу 1074 кг на орбите и 795 кг после возвращения. Аппарат был оснащен реактивными двигателями и отклоняемыми консолями крыла.

Телеметрическая система «БОР-4» записывала информацию и передавала ее в пакетном режиме при пролете над двумя кораблями слежения, а при спуске — на наземный приемный пункт. На дюралевой обшивке под теплозащитными плитками и под внешним покрытием плиток на глубине 0,3 мм было установлено 150 термопар, использовались также термокраски и индикаторы плавления.

Консоли крыла «БОР-4», как и орбитального самолета «Спираль», могли поворачиваться в корневой части, при этом величина угла «развала» определяла угол атаки, при котором аппарат самобалансируется (то есть становится статически устойчив) при входе в плотные слои атмосферы. Это было революционное решение, оно снимало проблему защиты относительно острой передней кромки крыла от высоких температур: при поднятых консолях скоростной напор встречался с нижним днищем и «стекал» с крыла. При старте на ракете под головным обтекателем консоли крыла полностью складывались «шалашиком» на «спине». Консоли могли отклоняться от балансировочного положения и раздельно — это использовалось для управления по крену.

Первый «БОР-4» был запущен по суборбитальной траектории в направлении озера Балхаш 5 декабря 1980 года с целью проверки работоспособности всего комплекса. На нем была установлена уносимая абляционная теплозащита на основе материала марки ПКТ-ФП, состоящего из фенолформальдегидной ткани, пропитанной смесью фенолформальдегидных смол (сходная защита применяется на спускаемых аппаратах кораблей «Союз»). Успешный полет этой летающей модели подтвердил ее надежность.

Последующие аппараты использовались уже непосредственно для испытаний теплозащиты «Бурана», поэтому их пришлось существенно модифицировать. Поверх абляционной теплозащиты уменьшенной толщины («на всякий случай») на тонкую металлическую обшивку смонтировали соответствующую «бурановскую» теплозащиту — керамические белые и черные плитки на основе ультратонкого кварцевого волокна, маты гибкой теплозащиты на базе органического войлока и носовой кок из композиционного материала «углерод-углерод». Технология наклейки теплозащиты на «БОР-4» полностью соответствовала «бурановской». Носовой кок для «БОР-4» также был изготовлен в соответствии с требованиями «Бурана».

Для теплозащиты консолей крыла из-за аэродинамических ограничений небольшой толщины керамических плиток не хватало, поэтому внутреннюю полость металлической конструкции крыла заполнили пористым фетровым материалом, пропитанным специальным составом на основе воды. Испарение воды в случае перегрева должно было обеспечить эффективное охлаждение.

В полете

С 1982 по 1984 год было произведено шесть запусков аппаратов «БОР-4» с помощью легкой двухступенчатой РН «Космос-3М» (К65М-РБ5) с космодрома Капустин Яр. Аппараты, выводившиеся на орбиты ИСЗ высотой около 225 км, получали наименования спутников серии «Космос».

В орбитальном полете ориентация поддерживалась газореактивными двигателями. Топливом служили азотный тетраксид и несимметричный диметилгидразин. В начале второго витка с помощью сбрасываемого порохового двигателя «на спине» аппарата выдавался тормозной импульс — и «БОР-4» входил в атмосферу.