Гиперзвуковые «Ту»

«ДП»

В 1958 году ОКБ А.Н. Туполева получило задание на проведение исследовательских работ по теме «ДП» – Дальний Планирующий. Согласно первоначальной задумке заказчика, самолет «ДП» должен был использоваться в качестве последней ступени авиационно-ракетной ударной системы. Ракета-носитель (на эту роль предлагались почти все тогдашние ракеты средней и большой дальности) выводила самолет в заатмосферное пространство, где он отстыковывался и в беспилотном режиме самостоятельно отправлялся к цели. По результатам исследования конструкторы-туполевцы пришли к выводу, что оптимальной высотой расцепки являются 80-100 километров, в зависимости от расстояния до цели. Любопытной была конструкция проектировавшегося «ДП». По причине высокой скорости аппарата после его отделения от ракеты решили окончательно отказаться от какого-либо маршевого двигателя (отсюда «планирующий» в индексе), а для обеспечения работоспособности систем самолет предполагалось оснащать набором электрических аккумуляторов и баллонов для сжатого газа.



Боевая нагрузка «ДП» изначально прорабатывалась в двух вариантах. Согласно первому, в нужный момент на большой высоте происходил сброс ядерного заряда и самолет, выходя из пикирования, уходил «домой». Однако обеспечить приемлемую точность попадания в цель в таком случае было, мягко говоря, непросто. Кроме того, самолет вряд ли выдержал бы перегрузку, возникающую на выходе из пикирования. Поэтому от первого варианта отказались и стали работать над вторым. Согласно ему, боезаряд был частью конструкции самолета. Подрыв боеголовки, конечно, уничтожит самолет, но при этом возможно создать гораздо более точную систему доставки.

Проект «ДП» для своего времени выглядел более чем перспективным. Во-первых, военных подкупала точность попадания. Она была значительно выше, чем у тогдашних баллистических ракет. Во-вторых, уже тогда было ясно, что вскоре все ведущие страны начнут создавать средства противоракетной обороны, а предполагаемый профиль полета «ДП» выглядел подобно противозенитному маневру бомбардировщика. Соответственно, используя для доставки ядерных зарядов самолет «ДП», можно было бы в течение нескольких лет или даже десятилетий не беспокоиться на предмет ПРО противника.

Исследовательские и предварительные конструкторские работы по теме «ДП» заняли три с лишним года. Помимо ОКБ Туполева в них были заняты ЦАГИ, ВИАМ, ЛИИ и множество других организаций. Оно и понятно, помимо непосредственно конструкционных вопросов нужно было решить ряд сопутствующих. Так, высокие скорости полета на конечном участке траектории требовали термостойких материалов обшивки и силового набора, а обводы фюзеляжа и крыла должны были обеспечивать приемлемую аэродинамику, но при этом не усиливать нагрев конструкции. Наконец, нужно было провести анализ всех возможных траекторий полета и выбрать из них наиболее подходящую по целому ряду параметров. В ходе этих работ, кроме прочего, было построено несколько экспериментальных аппаратов, на которых проверялись те или иные технологии и идеи.

«130»

Все экспериментальные самолеты делались в рамках проекта «130» (Ту-130). По ряду причин было принято решение вывести эксперименты по гиперзвуковой баллистической тематике в отдельный проект. Уже в ходе работ над проектом «130» прежде всего в очередной раз проверили аэродинамическую схему будущего экспериментального аппарата. Рассматривалась классическая схема с крылом и хвостовым оперением, «утка», бесхвостка, летающее крыло и т.д. Интересен тот факт, что в ЦАГИ в то время еще не было гиперзвуковых аэродинамических труб. Поэтому испытания пришлось проводить в специально созданной установке, в которой разгон модели происходил при помощи особой пушки. В результате продувок оптимальной признали схему бесхвостка с неким подобием того, что сейчас именуется несущим фюзеляжем. В хвостовой части разместили стабилизаторы. Выбрав основное направление работ, конструкторы-туполевцы создали несколько моделей самолета «130» в разных конфигурациях. Их оснастили твердотопливными ракетными двигателями и измерительной аппаратурой. Запуски этих моделей производились с летающей лаборатории Ту-16ЛЛ. В нескольких полетах удалось разогнать экспериментальный макет до скорости, почти в шесть раз превышающей скорость звука.



К концу 59-го года исследования подошли к концу и в ОКБ Туполева приступили к созданию собственно самолета «130». За основу для него взяли модель-бесхвостку с несущим корпусом и хвостовым оперением. В целом, аэродинамическая компоновка полноразмерного Ту-130 почти не отличалась от той модели, которая «выиграла конкурс». Единственное заметное изменение коснулось вертикального киля: на верхней его части установили небольшой стабилизатор. В итоге самолет «130» стал выглядеть так: полуэллиптический в сечении фюзеляж длиной 8,8 метра, размах крыла-стабилизатора – 2,8 м и высота в 2,2 м. На внешней поверхности фюзеляжа крепятся только два крыла-стабилизатора и два киля. По всему размаху крыла со стреловидностью 75° были размещены элевоны. На килях какие-либо рули не предусматривались, зато на их боковых поверхностях имелись четыре тормозных щитка. Выведение щитков в поток происходило по принципу ножниц. Большая часть силового набора и обшивки самолета предлагалось изготовлять из жаростойких стальных сплавов. Носки крыла, килей и передний обтекатель самолета облицовывались специальным графитовым материалом.

На этом этапе снова вернулись к идее возвращаемого аппарата. По состоянию проекта на начало 1960 года полет должен был происходить следующим образом. Ракета-носитель поднимает самолет «130» на высоту порядка 90-100 километров и сбрасывает его. В этот момент происходит коррекция траектории движения самолета и далее он планирует в сторону цели. При начальной скорости полета около М=10 дальность полета могла достигать четырех тысяч километров. Бортовая аппаратура позволяла в течение полета несколько раз корректировать параметры полета, однако на период испытаний решили ограничиться только одной корректировкой после отделения от ракеты. По окончании полета «130» должен был сбрасывать скорость при помощи перехода в набор высоты и раскрытия тормозных щитков. Как только скорость падала до приемлемого значения, из хвостовой части аппарата выбрасывался парашют, который сначала служил тормозным, а затем посадочным.



Первоначально планировалось построить пять опытных экземпляров гиперзвуковых планеров, которые были заложены еще в конце 59-го. Через несколько месяцев первый планер был готов и на опытном производстве начали монтаж аппаратуры управления, охлаждения и измерения параметров. Одновременно с этим в ОКБ-586 под руководством М.К. Янгеля производили доработку ракеты Р-12. Для установки самолета «130» на ней нужно было разместить новый стыковочный узел, а также усилить конструкцию по причине возросшей массы выводимого груза.

В ОКБ Туполева и Янгеля уже начали готовиться к первому запуску ракеты Р-12 с Ту-130 «на борту», но уже в феврале 1960 года проект гиперзвукового планера отдали конструкторскому коллективу под руководством В.Н. Челомея.

В космос!

Однако закрытие туполевского проекта «130» не похоронило все наработки конструкторского бюро по теме гиперзвуковых летательных аппаратов. Всего через несколько лет после передачи «130» Челомею работы над идейным продолжением «ДП» и «130» были продолжены. Во второй половине шестидесятых в аэрокосмической отрасли появилось новое направление, как тогда казалось, универсальное и очень перспективное. Это были воздушно-космические самолеты (ВКС). Новое направление обещало обеспечить и военных, и гражданских техникой нового уровня, обладающей значительным количеством преимуществ перед существующей. Так, за пределами атмосферы можно достигнуть гораздо больших скоростей, чем в воздухе, а взлет и посадка «по-самолетному» должны значительно снизить стоимость рейса. Кроме того, воздушно-космический самолет можно использовать и для вывода космических аппаратов на низкие орбиты.

Начиная с 1968 года, в ОКБ Туполева прорабатывалось несколько проектов ВКС с различной компоновкой, взлетной массой и силовой установкой. Так, взлетная масса перспективных аппаратов колебалась от 250 до 400 тонн, а в качестве силовой установки предлагались не только традиционные жидкостные ракетные двигатели, но и ядерные с водородом в качестве рабочего тела. Конечно, с позиций сегодняшнего дня такие проекты выглядят чистой фантастикой, но в конце 60-х они считались действительно перспективными и вполне реальными. Но, к сожалению, реальными их видели только инженеры. Потенциальный заказчик в лице министерства обороны предпочел воздушно-космическим самолетам уже освоенные ракеты. Поэтому ни по одному из вариантов ВКС конструкторское бюро Туполева нормальных проектных работ так и не начало.



Однако вряд ли только косность военных пагубно сказалась на судьбе туполевских ВКС. К примеру, ядерный ракетный двигатель даже по нынешним меркам является технологией будущего, не говоря уже о конце 60-х. Кроме технологической сложности они имели и ряд других проблем. Самая ощутимая из них – радиоактивность реактивной струи. Из-за этого взлет воздушно-космического самолета с ядерным двигателем должен происходить либо в специально выделенной местности (вряд ли кто-то разрешит это), либо при помощи дополнительных двигателей. В ОКБ Туполева для этого предлагали применить специально созданный турбореактивный двигатель, работающий на жидком водороде. С одной стороны, такое горючее исключало необходимость заправки самолета сразу двумя топливами, но с другой, такой двигатель нужно было создавать почти с нуля. Для справки: первый полет самолета с двигателем на жидком водороде – Ту-155 – состоялся только в 1988 году.

К счастью, и наработки по тематике ВКС не пропали даром. Тот самый Ту-155 мог даже не появиться, если бы в свое время на фирмах Туполева и Кузнецова не провели некоторые исследования на предмет перспектив криогенного топлива. Да и в настоящее время жидкий водород считается одним из наиболее выгодных перспективных видов топлива, в том числе и для воздушно-космических самолетов.

Орбитальный самолет

Интерес советских военных к воздушно-космическим системам появился только в конце семидесятых – начале восьмидесятых. Тогда стало известно, что в США полным ходом идет создание «Спейс Шаттлов» и советскому министерству обороны понадобился аналогичный аппарат. Уже к концу первой половины 80-х ОКБ Туполева в сотрудничестве с рядом организаций подготовило пакет документов относительно облика перспективного летательного аппарата. В ходе изысканий по теме было выработано три основные концепции ВКС, отличающиеся друг от друга как конструктивными, так и эксплуатационными особенностями. В частности, даже по поводу взлета было предложено целых три варианта:
- самостоятельный горизонтальный взлет с аэродрома при помощи собственного шасси или специальной разгонной тележки;
- взлет при помощи носителя, выводящего орбитальный самолет на необходимую высоту и скорость;
- взлет при помощи сверхтяжелого самолета носителя (взлетный вес порядка 1,3-1,5 тыс. тонн) и последующий самостоятельный разгон.



Похожим образом дело обстояло и с другими моментами эксплуатации одноступенчатого орбитального самолета (ООС). Однако по результатам математического моделирования всех трех вариантов наиболее выгодным по возможной полезной нагрузке и максимальной высоте орбиты был признан взлет при помощи самолета-носителя. В качестве силовой установки для ООС изначально рассматривалась комбинация жидкостного и прямоточного реактивных двигателей. Жидкостные должны были осуществлять первоначальный разгон ООС, после чего включались более экономичные прямоточники. Однако уже на стадии предварительного проектирования от ПВРД пришлось отказаться. Дело в том, что в то время не было возможности сделать подходящее входное устройство для такого двигателя. Планировалось, что прямоточные двигатели будут включаться на скоростях не менее М=5…7, а наработок по воздухозаборникам, предназначенным для таких скоростей, тогда еще не было. Пришлось оставить только жидкостные двигатели. Самым эффективным топливом был признан жидкий водород, а в качестве окислителя предложили жидкий кислород. Примечательно, что именно эти сорта топлива и окислителя были выбраны, в первую очередь, из экономических соображений – производство жидкого кислорода было уже давно налажено, а для массового производства жидкого водорода не требовалось больших вложений.

Конструкция ООС фирмы Туполева в некоторой мере напоминала проект «103». Та же бесхвостка с низким расположением крыла. Однако оживальное крыло ООС имело развитый корневой наплыв, а вместо двух килей был только один. В целом, ООС больше был похож на корабль «Буран», чем на своего прямого предка. Интересна аэродинамика проекта. Так, s-образный профиль крыла был наиболее эффективным на дозвуковых скоростях. По задумке конструкторов, при полете с дозвуковой скоростью подъемная сила создавалась крылом. При переходе через звуковой барьер эффективность крыла резко снижалась, и поддержание самолета в воздухе происходило за счет фюзеляжа с характерным плоским днищем и формы крыла в плане. Для управления ООС имел элевоны в задней части крыла и двухсекционный руль направления на киле. Эти рули должны были применяться для маневрирования на до- и сверхзвуковых скоростях. При переходе на гиперзвук, а также на орбите для управления маневрами предназначались маломощные жидкостные двигатели. В хвостовой части фюзеляжа размещались три ЖРД с расчетной тягой по 200 тонн, а в центральной был предусмотрен отдельный отсек для баков топлива и окислителя.



Для защиты конструкции аппарата и грузов от высоких температур, возникающих при движении на гиперзвуковых скоростях, внешние детали самолета предлагалось делать из разных материалов с различной стойкостью к тепловым нагрузкам. Так, в качестве материала для носа фюзеляжа, носков крыльев и киля (температура до 2000°) предлагался углепластиковый композит, усиленный карборундом и диоксидом кремния. Остальные поверхности должны были защищаться керамической плиткой с боросиликатным покрытием, причем толщина плиток и покрытия зависела от расположения конкретной плитки.

Расчетный взлетный вес ООС был определен в пределах 700 тонн, десять из которых приходились на полезную нагрузку. Самостоятельная посадка ООС должна была происходить на скорости в 240-250 км/ч. Как уже говорилось, в начале работ единого мнения о способе взлета не было. Однако позже приняли решение, что подъем в воздух при помощи самолета-носителя будет наиболее выгодным вариантом. Совместно с другими предприятиями ОКБ Туполева провело исследования перспектив самолета-носителя. Взлетный вес ООС в 700 тонн требовал соответствующего гигантского носителя. В различных вариантах носителя его полный вес равнялся, а то и превышал взлетный вес орбитального самолета. Таким образом, вся система в сборе перед взлетом весила 1600-1650 тонн. Можно представить себе габариты такого монстра.



Проект «2000»

По состоянию на середину 80-х на дальнейшие работы по проекту, после которых можно будет начать испытания, требовалось не менее 7-8 лет. Более реальным выглядел срок в 10 лет. Одновременно с этим в июле 1986 года вышло Постановление правительства, которым требовалось создать практически применимый воздушно-космический самолет. По причине невозможности сразу построить ООС полного размера и массы туполевцы решили сделать другой самолет меньших размеров. Он получил наименование Ту-2000А и должен был иметь максимальный взлетный вес менее ста тонн.



Этот самолет не должен был выходить на орбиту – ему просто не хватило бы топлива и тяги двигателей – но это и не было его предназначением. Ту-2000 был призван стать летающей лабораторией для отработки пилотируемого полета на высотах свыше 25-30 километров и скоростях порядка М=6. Для разгона до гиперзвуковых скоростей снова были предложены прямоточные двигатели на жидком водороде в комбинации с турбореактивными.

Второй вариант нового проекта с индексом Ту-2000Б имел в два с половиной раза больший взлетный вес и большие габариты. Именно на основе этого проекта в будущем планировалось сделать боевую и пассажирскую машины. К примеру, шесть прямоточных двигателей на скорости в М=6 и высоте 30 км обеспечивали расчетную дальность не менее 10 тыс. километров. Полезная нагрузка Ту-2000Б в обоих вариантах достигала 10-12 тонн.



Для будущего Ту-2000А были изготовлены кессон крыла, некоторые элементы фюзеляжа и ряд узлов топливной системы. Однако в 1992 году из-за отсутствия финансирования проект пришлось заморозить. К сожалению, еще в девяностых экономическая ситуация в стране привела к закрытию обеих версий Ту-2000 и проекта ООС. Как говорилось выше, строительство последнего было возможно к середине 90-х. Для Ту-2000 примерный срок первого полета определялся в 13-15 лет после начала работ. Иными словами, Ту-2000А должен был отправиться на летные испытания еще в первой половине двухтысячных. Но до сих пор этого так и не случилось. Более того, есть все основания сомневаться, что проекты ООС и Ту-2000А вообще будут когда-либо возобновлены.

Никаких перспектив...

Из-за ряда не самых приятных событий почти полувековой опыт и наработки конструкторского бюро им. А.Н. Туполева в области гиперзвуковых летательных аппаратов различного назначения оказался невостребованным. И, что не добавляет оптимизма, закрытие проектов «ДП», «130», ООС и Ту-2000 плохо сказалось не только на будущем российской аэрокосмической отрасли. В настоящее время ввиду вывода из эксплуатации американских шаттлов вопрос многоразового космического «грузовика» встал особенно остро. По всему миру разные конструкторские бюро бьются над этой проблемой, но до сих пор особых успехов не видно. Предлагаются достойные конструкции, однако, к большому сожалению, они пока не имеют тех характеристик, которые были у работяг-шаттлов или у так и не полетевшего советского Ту-2000Б.

По материалам сайтов:
http://alternathistory.org.ua/
http://vadimvswar.narod.ru/
http://airbase.ru/
http://airwar.ru/
http://www.sergib.agava.ru