Пилотируемый орбитальный полет, без сомнения, является наиболее захватывающим проявлением технического прогресса.
А вот и он - настоящий шаг человечества в космос.
Повинуясь воле пилота корабля, многотонный аппарат преодолевает звуковой барьер, переходит на «гиперзвук» и преодолевает гравитацию Матери-Земли.
Либо он входит в атмосферу на колоссальной скорости, элегантным маневром снижает скорость и приземляется на стандартную взлетно-посадочную полосу.
Что ж, возможно, это вас немного шокирует. Примерно так это выглядит в фантастических фильмах, рассказывающих нам, как оно будет – и не имеет ничего общего с реальностью.
В действительности, тот, кто осмелится, с одинаковой вероятностью будет испепелен и распутан в винтики весьма интересными воздействиями планетарной атмосферы, если заранее не примет специальных мер.
Попробую рассказать, как на самом деле решались две важнейшие проблемы суборбитальной космонавтики – теплозащита и аэродинамика – на примере опытных образцов проекта «Буран» – беспилотных орбитальных ракетопланов БОР-4 и БОР-5. 
БОР-4
БОР-4 и конструкция теплозащиты
Как я уже сказал в их прошлом статьи о "Спирали" При проектировании многоразовых космических кораблей ключевым вопросом остается создание достаточно эффективной тепловой защиты, способной предотвратить перегрев конструкции корабля и в то же время не ухудшить его аэродинамические характеристики.Для малых кораблей типа советской «Спирали» вполне приемлемо использование схемы «горячего проектирования».
Я уже объяснял, что это такое, когда рассказывал об этом проекте, но напомню вкратце – горячая конструкция основана на принципе переизлучения тепла от горячих зон поверхности корабля к менее нагретым элементам.
В случае со «Спиралью» для этого также используется пространственная ферма, которая за счет теплового расширения рассеивает тепло, охлаждая всю конструкцию.
Однако для крупных кораблей такая схема неприменима, так как занимает все доступное ей свободное пространство, при этом усложняется и требует применения жаропрочных сплавов.
Хуже того, площадь теплозащитного экрана (еще одного важного элемента горячей конструкции, принимающего на себя основную тепловую нагрузку) растет пропорционально квадрату линейных размеров машины, а его масса - пропорционально их куб! Следовательно, для «Бурана» пришлось использовать обычную конструкцию самолета из «холодных» материалов, не рассчитанных на высокие температурные нагрузки.
К ним добавлялось теплозащитное покрытие, которое должно было одновременно обеспечивать приемлемый прогрев фюзеляжа и внутренних силовых конструкций корабля, и в то же время быть максимально гладким, чтобы воздух обтекал корабль максимально спокойно.
можно, не образуя турбулентности.
Этот поток еще называют ламинарным.
Ламинарное течение позволяет снизить температуру поверхности еще на 150-200 градусов, что критически важно, так как эти градусы «набираются» в интервале температур 1500-1700 градусов, в котором пределы прочности основных конструкционных материалов достигаются.
располагается.
Используются и другие трюки, основанные на повторном выделении тепла и реакциях на атомном уровне.
Чтобы максимально упростить его, происходит следующее.
Когда корабль входит в атмосферу, он сталкивается с противотоком воздуха, состоящим из молекул азота и кислорода.
Перед лобовой поверхностью корабля, движущегося с гиперзвуковой скоростью, создается ударная волна, и набегающий поток в ней резко замедляется до дозвуковой скорости.
При этом кинетическая энергия этого потока частично расходуется на нагрев набегающего потока (т. е.
происходит переход кинетической энергии в тепловую), а частично — на разрыв молекул азота и кислорода.
При этом образующийся поток фрагментов молекул воздуха уже частично охлаждается (тепловая энергия переходит в так называемую энергию диссоциации).
Затем этот поток сталкивается с «холодной» поверхностью корабля относительно ударной волны, молекулы пересоединяются, и выделяющаяся энергия нагревает эту самую поверхность.
При этом скорость «сборки» молекул (по-научному этот процесс называется рекомбинацией) зависит от свойств поверхности, на которой он происходит. Этот эффект называется каталитичностью.
И если рекомбинацию достаточно замедлить, она будет происходить не на самых горячих фронтальных краях, а дальше вниз.
Грамотное использование каталитического действия позволяет набрать несколько сотен градусов в самых горячих зонах: на носовом кокине (300-400 градусов), кромках крыла и нижних поверхностях крыла и фюзеляжа (еще около 100 градусов).
Советские конструкторы использовали данные космического корабля "Шаттл", а также собственные разработки.
Учитывая, что на разных участках поверхности огромного корабля ожидалась разная температура, возникла необходимость разработки различных типов теплозащитных покрытий, ранее не существовавших в СССР.
Для наиболее горячих зон (носовой кок, передние кромки крыла, температура 1250-1650 градусов) создан углерод-углеродный материал «Гравимол-В», состоящий из различных видов пластиков и углепластиков, дополненных пироуглеродами или специальный песок и защитные покрытия.
Этот материал очень плотный, поэтому полностью покрыть им корабль невозможно, ведь тогда масса покрытия в случае с Бураном составила бы 40 тонн! Поэтому в более прохладных зонах использовались различные виды керамической плитки из кварцевых и кварцевых волокон, а также маты из более дешевых и простых в изготовлении термостойких волокнистых материалов.
Конечно, наземные испытания в аэродинамических трубах позволяли проводить определенные эксперименты, но настоящие испытания были возможны только во время орбитального полета.
Учитывая опыт приборов БОР, использованных для испытаний «Спирали», НПО «Молния» решило построить небольшой беспилотный аппарат, на котором можно было бы изучать каталитичность, работу плиток, а также различные варианты их резки (т.е.
, способ приклеивания плитки к машине).
Частично собранный БОР-4
Так появился БОР-4. Конечно, в его задачи входило не только тестирование тепловой защиты, но именно это и было главной целью всей программы.
При проектировании был учтен опыт первых беспилотных орбитальных ракетопланов, однако распространенное в ряде источников мнение о том, что БОР-4 представляет собой адаптированную для «Бурана» копию «Спирали», неверно.
Фактически НПО «Молния» и ЦАГИ рассчитывали в первую очередь на проверку того, как будут распределяться тепловые потоки на носовом и первых рядах теплозащитных плиток «Бурана» на гиперзвуковых скоростях.
Лозино-Лозинский поставил задачу полностью наблюдать тепловые потоки на носовой поверхности «Бурана» и БОР-4 в наиболее термически напряженной точке траектории, которая для орбитального корабля располагалась на высоте чуть ниже 70 км при скорости М = 23. Расчет Лозино-Лозинского был прост: если в точке натурной траектории «Бурановского» с максимальными тепловыми потоками можно проверить тепловую защиту, то на всех остальных участках траектории беспокоиться не стоит. Сложность проблемы заключалась в том, что для получения тех же тепловых потоков в одной и той же точке траектории меньшая модель не могла просто иметь уменьшенную форму орбитального корабля – в данном случае из-за вязкостных свойств воздуха.Многодневные поиски решения проблемы привели к простому и потому гениальному открытию.потока, то полного аэродинамического подобия добиться не удалось бы.
В.
Лукашевич, И.
Афанасьев, «Космические Крылья»
Заместитель начальника ЦАГИ Владимир Нейланд и заместитель главного конструктора НПО «Молния» по аэродинамике Евгений Самсонов решили взять за основу простую советскую натурную носовую часть «Бурана» и добавить к ней хвостовую часть, способную самобалансироваться.
БОРы, построенные для «Спирали», обладали именно этим свойством, и поэтому Самсонов, знавший об этих работах, смог довольно быстро адаптировать существующие расчеты под носовую часть «Бурана».
Его имитировала сфера того же радиуса.
Именно поэтому БОР-4 внешне похож на Спираль, хотя по сути не имеет к ней никакого отношения, как и не имеет прямого отношения к БОР-1, -2 и -3. 
Конструктивно-компоновочная схема БОР-4: 1 - носовой теплозащитный обтекатель из термостойкого углерод-углеродного композиционного материала «Гравимол»; 2 — электрохимический источник тока (батарея); З - топливный бак для газореактивных жидкостных ракетных двигателей с компонентами топлива четырехокись азота + несимметричный диметилгидразин (АТ + НДМГ); 4 — парашютно-спасательная система; 5 — блоки автономной бортовой системы управления (и навигации); 6 — блоки системы радиотелеметрии; 7 – научная аппаратура; 8 — силовой привод поворотных консолей крыла; 9 — поворотные (складывающиеся) консоли крыла; 10 — хвостовой стабилизатор (киль); 11 — два блока (два ЖРД) двигателей газореактивной системы управления по крену; 12 — центральный блок из четырёх газореактивных ракетных двигателей управления по тангажу и рысканью; 13 - хвостовая силовая рама, крепящая аппарат к последней ступени ракеты-носителя; 14 — арматура двигателя.
Конструктивно БОР-4 аналогичен своим предшественникам, но нам важно его устройство тепловой защиты.
Снаружи на корпус аппарата сначала была нанесена абляционная (то есть уносящая) термозащита.
Его задачей было защитить машину в случае перегорания экспериментальной термозащиты, то есть пресловутой плитки и Гравимола.
Абляционная тепловая защита устанавливается на одноразовые космические корабли, поскольку она обычно выдерживает высокие температуры.
Однако работает он за счет того, что при нагревании плавится и частично уносится потоком от тела.
Благодаря этому корпус корабля меньше подвергается нагрузкам.
Однако такая защита обычно может выполнить свою задачу только один раз и после этого не может быть восстановлена.
Имитация предполетных испытаний БОР-4 в криобарокамере НПО «Молния» во время съемок фильма «Космическая спираль» для Первого канала, март 2007 г.
БОР-4 размещен на передвижной тележке, которая питается в напорную камеру по рельсовым направляющим.
Именно так в 1980-е годы проходили предполетные испытания всех аппаратов БОР-4 и БОР-5. Самый первый БОР-4 (точнее БОР-4С) плитки не получил и в своем полете повторял программу полета БОР-3. Это был суборбитальный полет, в ходе которого проверялись управляемость корабля и правильность конструктивных решений.
Остальные четыре аппарата получили плитки и совершили полноценные орбитальные полеты.
А о том, как проходили сами эти полеты, мы поговорим завтра.
БОР-5 и аэродинамические испытания
Второй задачей, необходимой для испытаний, была аэродинамика «Бурана».Для его испытаний уже необходимо было построить аппарат, аэродинамически подобный орбитальному кораблю.
Им стал БОР-5. По ряду причин было решено работать с масштабом 1:8. Однако даже в таких масштабах полностью уместить аппарат на существующую ракету-носитель все же не удалось – у нее просто был слишком большой размах крыльев.
Машину в итоге спрятали в обтекателе, но конструкторы все же спроектировали такой переходный отсек между ракетопланом и ракетой-носителем, чтобы выходящие за пределы оболочки крылья оказывали минимальное влияние на полет. Считалось, что такая схема не только упростит и удешевит проект, но и поможет в проектировании будущей легкой многоразовой космической системы.
Давайте запомним этот момент. 
Исходя из этих цифр, можно понять разницу задач БОР-4 и БОР-5.
Не буду углубляться в конструктивные особенности БОР-5; Отмечу лишь самые важные моменты.
Во-первых, ракетоплан был оснащен абляционной тепловой защитой.
Это произошло за счет уменьшения размеров устройства.
Дело в том, что на настоящем Буране теплозащита кромок крыла уже работала на пределе своих возможностей, а на меньшей модели кромки стали еще тоньше, что увеличивало температурные нагрузки, а потому углеуглеродные материалы просто не смог бы справиться.
Тепловая защита выполнена из материала МСП-К на основе кварцевого волокна и хромалюмофосфатного связующего (минерального стекловолокна).
Начиная с третьей машины, она была дополнена элементами из вольфрам-молибденового сплава (для самых горячих зон) и радиопрозрачными элементами из стеклопластика с кремнеземным наполнителем.
Кроме того, были ограничены максимальная скорость и высота полета.
Во-вторых, аэродинамически подобный «Бурану» аппарат имел даже имитаторы мотогондол (в них располагались приборные отсеки) реактивных двигателей для полетов в атмосфере.
В общем, по возможности систему управления максимально приблизили к бурановской.
Все это сыграло свою роль во время полетов.
Всего было пять рейсов.
Первый закончился громкой неудачей - БОР-5 №501 был потерян и не выполнил поставленные задачи (а это были летно-конструкторские испытания).
Аппарат не отделился от ракеты-носителя <…> .Разделение БОР-5 и ракеты не произошло из-за досадной ошибки, допущенной при сборке на полигоне: перепутались электрические контакты, из-за чего после подачи ракетой-носителем команды на борт БОР-5 в вид напряжения +27 вольт, на плате оно воспринималось как 27 вольт. В результате команда не прошла, пироболты, соединяющие БОР-5 с ракетой-носителем, не сработали, и аппарат продолжил полет вместе с ракетой по баллистической траектории.
Ошибка была заложена в электрической схеме самого аппарата и не была обнаружена в ходе предстартовых испытаний, так как во время испытаний на полигоне команда на отделение поступала с наземного пульта управления, где полярность соответствовала электрической схеме БОРа.
-5, а не ракета-носитель.
В.
Лукашевич, И.
Афанасьев, «Космические Крылья»
БОР-5 №502 в Монино Второй полет прошел лучше – БОР-5 №502 выполнил свои задачи.
Однако испытатели обнаружили серьезные прогары термозащиты в самых горячих зонах — на кромках крыльев и носовом обтекателе.
Именно поэтому его необходимо было усилить.
На БОР-5 №503 перегоревшие элементы были изготовлены из молибдена, и на этот раз все прошло гладко.
Однако устройство было повреждено при транспортировке.
Кроме того, оказалось, что молибден слишком сильно расплавился, поэтому для четвертого устройства решили использовать вольфрам-молибденовый сплав.
В ходе полета БОР-5 №504, который состоялся 27 августа 1987 года (то есть чуть больше чем за год до полета «Бурана»), было решено проверить способность машины маневрировать на гиперзвуковых скоростях.
И здесь возник ряд проблем.
Когда аппарат находился на этапе гиперзвукового планирования, ему была дана команда на отклонение от курса.
Система управления с этим справилась, однако после возвращения в нейтральное положение ракетоплан продолжил отклонение от курса, но уже в другую сторону.
Система управления с этим справилась, но № 504 отказался лететь прямо, и рыскание стало самоподдерживающимся.
Иными словами, аппарат подчинялся рулям, но при этом был чудовищно неустойчив, хотя до этого все было в порядке.
Посадка прошла гладко, но радости конструкторы от этого не получили, только огромную головную боль.
Для «Бурана» была выбрана бесхвостая аэродинамическая схема.
Ее выбор (как и невозможность изменения положения крыльев) в случае с «Бураном» привел к невозможности сделать корабль статически устойчивым по рысканью к боковым возмущениям (например, боковому ветру) из-за дестабилизирующих влияние носовой части и аэродинамической тени, в которой находился киль (большая вертикальная плоскость в хвосте) с рулями на больших углах атаки.
То есть, если, например, из-за сильного бокового ветра нос корабля повернется, то сам он в исходное положение не вернется; потребуется реакция системы управления.
А если скорость его реакции окажется недостаточной или руль направления окажется неэффективным (а в аэродинамической тени это весьма вероятно), то корабль может потерять управление и начать кувыркаться.
Дальнейшие последствия очевидны.
Они должны были прийти на помощь элевоны (не путать с элеронами).
Это поверхности управления на крыле, которые в бесхвостых самолетах являются одновременно рулями высоты и органами управления по крену.
В обычных самолетах механизация на крыле (если до крайности упростить) управляет только креном (такие рули называются элеронами), а рули высоты расположены в хвосте.
«Левоны на сверх- и гиперзвуковых скоростях при определенных углах атаки начинают работать в обратную сторону относительно дозвукового полета, что приводит к тому, что корабль начинает вращаться в противоположную от ожидаемого сторону.
Поэтому на «Буране» элевоны на этих режимах должны были использоваться лишь как элементы дополнительной стабилизации, помогающие килю.
Таким образом, управлять рысканьем можно было не только с помощью рулей, но и с помощью элевонов, которые должны были парировать любые боковые возмущения.
Таким образом, стабилизация курса должна была достигаться в любых условиях.
Однако на БОР-5 №504 этого не произошло! Наоборот, ракетоплан начал вращаться самостоятельно! И хотя система управления успешно предотвратила катастрофическое развитие событий, стабилизировать машину не удалось.
Проблему можно было решить за счет увеличения площади элевонов и рулей направления.
Однако как это сделать, если вся аэродинамика рассчитана и доработана, до запуска остался год, а первый корабль уже два года собирается и проходит испытания на Байконуре, а завод собирает второй и закладка третьего корабля?! 
Слева направо: Буран с закрытыми створками мотогондолы; с открытыми дверями (режим атмосферного полета); финальный «Буран» без мотогондол
И тогда конструкторы присмотрели те самые мотогондолы для атмосферных летных двигателей.
Они располагались у основания киля, а значит, если их убрать, эта область не будет затенена, а значит, рабочая площадь увеличится.
Однако и здесь была проблема – ведь чем больше площадь, тем большие аэродинамические нагрузки она испытывает. Как уже говорилось, первый «Буран» был готов уже давно, поэтому было решено позволить ему летать с ограничениями на боковой маневр, а начиная со второй машины проводились работы по усилению киля.
Ну и от установки мотогондол и двигателей естественно отказаться.
Что ж, придется отказаться от возможности объехать, но в итоге сохранить безопасность автомобиля.
БОР-5 № 505 в Техническом музее в Шпейере, Германия.
Проверку гипотезы поручили БОР-5 №505. И машина не подвела, работая как надо.
Запуск состоялся 22 июня 1988 года – за четыре месяца до запланированного полета большого корабля – и прошел полностью успешно.
А уже в ноябре того же года в свой единственный полет отправился многоразовый космический корабль «Буран».
Я уже говорил об этом полете написал недавно , а завтра я расскажу вам о не менее сложных инженерно-технических задачах, связанных с ловлей «крылатых метеоритов».
Автор: Александр Старостин Источники Материалы сайта Буран.
ру Вадима Лукашевича, а именно: Вадим Лукашевич.
«Советская копия шаттла – многоразовая космическая система с орбитальным самолетом ОС-120» Вадим Лукашевич.
«Многоразовый орбитальный корабль ОК-92, ставший «Бураном»» Вадим Лукашевич, Игорь Афанасьев.
Космические крылья Барт Хендрикс, Берт Вис.
«Энергия-Буран: Советский космический корабль (Энергия-Буран.
Советский космический корабль)» 
Теги: #Научно-популярная #Космонавтика #космос #Читальный зал #СССР #пилотируемая космонавтика #исследования и разработки #орбитальный самолет #орбитальный самолет
-
Хайку В Scale 5X — День Первый. Продолжение.
19 Oct, 24 -
Персонализация Для Поисковых Сервисов
19 Oct, 24
