Новости космонавтики
№7 июль 2000 года

"БОРы" над планетой

Ю.Ларионов специально для "Новостей космонавтики"
на сайте представлено с любезного разрешения автора

В статье "Проект "Спираль"" (НК №4, 2000) упоминались орбитальные модели серии "БОР". Предлагаем читателям подробнее ознакомиться с этими аппаратами.

Одной из проблем программы "Буран" была задача создания многоразового теплозащитного покрытия для орбитального корабля (ОК): легкой керамической плитки, гибкой теплозащиты, покрывающей основную поверхность корабля, и жаростойкой конструкции из композиционного материала (КМ) "углерод-углерод", используемой в носовой части и на передних кромках крыла ОК. Высокая сложность и стоимость создания и летных испытаний корабля требовала соответствующего подхода к отработке всех систем, а особенно теплозащиты.

Первым этапом работ явилась программа наземных испытаний, целью которой была имитация факторов космического полета и условий входа в атмосферу. Опытные образцы покрытий испытывались в тепловакуумных плазменных установках, исследовались на воздействие акустических и вибрационных нагрузок. Вторым этапом стали летные испытания в диапазоне до- и сверхзвуковых скоростей, которые проводились на самолетах-лабораториях Ил-18 и МиГ-25. Образцы устанавливались на наружной поверхности в зоне высоких скоростных напоров и акустических нагрузок от двигателя. Наконец, третьим этапом стали испытания в космосе на летающих орбитальных моделях, которые должны были подтвердить работоспособность элементов теплозащиты в условиях реального полета по траектории, близкой к траектории "Бурана".

В качестве "космической лаборатории" был принят экспериментальный аппарат "БОР-4" , созданный в рамках работ по теме "Спираль" (копия ОК в масштабе 1:2) Сыграло свою роль то, что обводы носовой части "БОРа-4" практически совпадали с очертаниями носа "Бурана", включая подфюзеляжную часть.

Аппарат "БОР-3", на базе которого создавалась "летающая лаборатория", имел абляционную теплозащиту, подобно спускаемым аппаратам кораблей "Союз". Ее оставили в качестве аварийной, а сверху смонтировали соответствующую "бурановскую" теплозащиту: основное покрытие - плитки на основе ультратонкого кварцевого волокна, гибкая теплозащита на базе органического войлока и носовой "кок" из КМ "углерод-углерод".

Телеметрическая система, которой был оснащен "БОР-4", записывала информацию в бортовое запоминающее устройство и передавала в пакетном режиме при пролете над двумя специализированными измерительными кораблями, а при спуске - и на наземный приемный пункт. Измерения шли от 150 термопар, установленных на дюралевой обшивке под теплозащитными плитками, а также под внешним покрытием плиток на глубине 0.3 мм. Телеметрировались показания акселерометров, индикаторов угловых скоростей, положение консолей крыла и информация нескольких десятков других датчиков температуры и давления; использовались также термокраски и индикаторы плавления.

Стартовая масса "БОРа-4" составляла около 1450 кг. Аппарт выводился на околоземную орбиту ракетой К-65М-РБ5 (вариант легкой двухступенчатой РН "Космос-3М") с полигона Капустин Яр и выполнял один виток на высоте около 225 км. Ориентация в пространстве поддерживалась газореактивной системой (8 сопел) по программе автономной бортовой системы управления (в режиме инерциальной навигации). В начале второго витка с помощью сбрасываемого порохового двигателя, установленного "на спине" "БОРа-4", выдавался тормозной импульс - и аппарат входил в атмосферу.

Консоли крыла "БОРа-4", как и самолета "Спираль", могли поворачиваться в корневой части, при этом величина "развала" (угол поперечного V) определяла угол атаки, при котором "лаборатория" самобалансируется (становится статически устойчива) при входе в плотные слои атмосферы. Как известно, "Буран" и Space Shuttle неустойчивы по каналу курса на вершине траектории спуска, во время полета на больших углах атаки. Техническое решение с поворотными консолями, предпринятое в рамках программы "Спираль", было революционным для шестидесятых годов, так как позволяло "обмануть природу", сняв проблему защиты относительно острой передней кромки крыла от высоких температур. Поднятые кверху консоли в сочетании с соответствующим углом стреловидности по передней кромке и углом атаки создавали такие условиях входа в атмосферу и полета на гиперзвуковых режимах, когда скоростной напор встречался с нижним днищем и "стекал" с крыла, передняя кромка которого как бы превращалась в заднюю. Здесь температуры были сравнительно невысоки.

Поворотное крыло обеспечивало приемлемую статическую устойчивость по курсу. При переходе на малые углы атаки консоли разворачивались в горизонтальное положение для повышения аэродинамического качества. Под обтекателем РН консоли складывались "шалашиком" на "спине". Балансировка обеспечивалась с высоты 70…60 км при угле атаки 57° в первом полете и 52...54° в последующих полетах. Для управления по крену консоли дифференцированно отклонялись от балансировочного положения.

После торможения и планирующего полета в верхних слоях атмосферы, пройдя "плазменную" зону, "БОР-4" на высоте около 30 км вводился системой управления в крутую спираль для уменьшения скорости полета, и на высоте около 7500 м выпускался парашют, обеспечивающий приводнение с вертикальной скоростью 7...8 м/с.

Первый экземпляр "БОРа-4" с абляционной теплозащитой был запущен 5 декабря 1980 г. на суборбитальную траекторию в сторону озера Балхаш для проверки работоспособности всего комплекса. Затем последовали орбитальные запуски (см. табл.), причем первые два аппарата приводнились в Индийском океане. Для связи с "БОРом-4" были привлечены корабли слежения "Космонавт Пацаев", "Космонавт Добровольский" и "Чумикан". После того, как первый "БОР-4" выполнил 1.25 витка по орбите, вошел в атмосферу с боковым маневром на дальность 600 км южнее траектории орбитального полета и приводнился в 560 км от архипелага Кокосовых островов в Индийском океане, его подобрали семь дежуривших там кораблей Военно-морского флота СССР.

В проведении второго орбитального полета "БОРа-4" помогали корабли сопровождения Академии наук СССР "Космонавт Волков" и "Космонавт Беляев". Аппарат приводнился в 556 км южнее архипелага Кокосовых островов.

В обоих случаях самолет Р-3C Orion Королевских ВВС Австралии, который совершал патрульные полеты в зоне приводнения "БОРа-4", детально отснял спасение аппарата. Советские участники спасательных операций, находившиеся на борту судна "Петропавловск", вспоминали, что "Орион" так низко ходил над палубой, что вихри, срывающиеся с его крыльев, чуть не сбивали людей с ног.

Фотографии, отснятые австралийскими летчиками (справа), натолкнули корреспондентов зарубежных СМИ на парадоксальную мысль, что "русские в самое ближайшее время готовы произвести запуск своего мини-шаттла или уже сделали это!".

Эти события, а также то, что у советских специалистов появилась уверенность в надежности системы управления, позволили перенести зону приводнения последующих аппаратов в Черное море. К сожалению, одну из двух "лабораторий", приводнившихся западнее Севастополя, найти не удалось.

Австралийская фотография БОР-4
На аппарате "БОР-4" впервые в отечественной практике экспериментально были определены:
распределение температур по поверхности и толщине многоразовой неуносимой теплозащиты радиационного типа;
распределение температур и давлений в районе балансировочного щитка;
конвективные, радиационные и поглощенные тепловые потоки;
влияние межплиточных зазоров и уступов на характеристики теплозащиты.

Анализ результатов измерений позволил обосновать оптимальные значения зазоров и уступов; отработать математическую модель пространственного теплообмена с учетом неравновесных физико-химических свойств воздуха; определить каталитическую активность покрытия в условиях натурной плазмы; уточнить температурную схему и наметить мероприятия по уменьшению массы теплозащиты ОК "Буран".

Полеты летающих лабораторий "БОР-4"

Дата

Наименование КА

Тип полета

5 декабря 1980 г.

-

суБОРбитальный

4 июня 1982 г.

"Космос-1374"

орбитальный

16 марта 1983 г.

"Космос-1445"

орбитальный

27 декабря 1983 г.

"Космос-1517"

орбитальный

19 декабря 1984 г.

"Космос-1616"

орбитальный

(Примечание web-мастера: интересно, что данные по запускам КА "БОР-4" сильно отличаются от представленных на странице КА "БОР")

Материалы полетов "БОРа-4" легли в основу технических заключений головных институтов к первому полету ОК "Буран", выполненному 15 ноября 1989 г. (Примечание web-мастера: так в тексте статьи - скорее всего, это опечатка. "Буран" совершил свой полет 15.11.1988 г.). Результатами работ можно назвать то, что, в отличие от американцев, мы практически обошлись без потерь теплозащиты: если "Колумбия" в первом полете потеряла около 30 плиток, то "Буран" отделался четырьмя (Примечание web-мастера: небольшая поправка - на самом деле потеряно 6 плиток в четырех местах; это хорошо видно разделе "Теплозащита" на странице "потерянных плиток").

Для получения экспериментальных аэродинамических данных, в рамках программы "Буран" создали летающую лабораторию "БОР-5" - геометрически подобную копию ОК в масштабе 1:8, предназначенную для следующих целей:
определение аэродинамических (коэффициентов, качества) и балансировочных характеристик ОК, продольной, боковой и поперечной устойчивости в условиях реального полета;
исследование распределения давления по поверхности аппарата;
определение тепловых и акустических нагрузок;
проверка достоверности методов аэродинамического расчета.

Носовое покрытие и передние кромки крыла "Бурана" работали на пределе для КМ "углерод-углерод": здесь температуры превышали 1200°С. Габариты ОК позволяли выполнить эти зоны со сравнительно большими радиусами закруглений. При переходе к масштабу "БОРа-5" кромки соответственно заостряются; их температуры повышаются. В связи с этим было решено ограничить верхний предел чисел Маха аппарата (М=15). "БОР-5" запускался той же РН (К65М-РБ5) с Капустина Яра, но летал по суборбитальной траектории в направлении озера Балхаш. Ракета с аппаратом массой 1450 кг достигала максимальной высоты около 210 км, после чего происходило разделение, и "БОР-5" продолжал полет по баллистической кривой со скоростью примерно 5 км/с. В атмосфере, с высоты около 50 км, полет проходил с программным изменением углов крена и атаки по траектории, соответствующей траектории "Бурана". Это требовало значительно большей индикаторной скорости - на 30-65% выше предельной для ОК на этом участке.

Поскольку температура поверхности аппарата была почти на 1000° выше, чем на полноразмерном ОК, нельзя было применить плиточную теплозащиту. Использовалась абляция на основе минерального стеклопластика, а носовой обтекатель - из вольфрамо-молибденового сплава. Испытывалась также радиопрозрачная теплозащита - стеклопластик с кремнеземным наполнителем.

Как и для "БОРа-4", управление "БОРом-5" вне атмосферы осуществлялось газореактивными соплами, а в атмосфере - рулевыми поверхностями самолетного типа, которые впервые в нашей стране были применены на таких больших скоростях.

Бор-5

Слева Бор-5, справа Бор-4

Летающие лаборатории "БОР-5" и "БОР-4" на выставке "К звездам-91"

Дальность полета "БОРа-5" от точки старта до приземления - около 2000 км; с высоты 7-8 км он тормозился по крутой спирали, на высоте 3 км выпускался парашют, на котором аппарат приземлялся с вертикальной скоростью 7-8 м/с.

Телеметрическая система "БОРа-5" записывала в ЗУ и передавала на Землю информацию от нескольких блоков акселерометров, датчиков угловых скоростей, свободных гироскопов, датчиков давления, отклонения элевонов и руля направления и аппаратуры измерения шарнирных моментов на рулях. Она же собирала информацию от термопар, калориметрических и др. температурных датчиков; использовалась также термокраска и индикаторы плавления.

Полеты летающих лабораторий "БОР-5"

Дата

Наименование КА

Результат запуска

6 июля 1984 г.

Модель 501

Неудачный

17 апреля 1985 г.

Модель 502

Успешный

27 декабря 1986 г.

Модель 503

Зачетный

27 августа 1987 г.

Модель 504

Зачетный

22 июня 1988 г.

Модель 505

Зачетный

(Примечание web-мастера: интересно, что данные по запускам КА "БОР-5" отличаются от представленных на странице КА "БОР")

С 1984 г. было проведено пять запусков "БОРа-5", причем первые два - по программе летно-конструкторских испытаний доработанной РН. В первом пуске, 6 июля 1984 г. из-за электрического дефекта аппарат и ракета не разделились и упали на землю вместе; второй полет прошел нормально.

Три зачетных пуска по программе испытаний "БОРа-5" прошли удачно и дали необходимую информацию. Фактическое аэродинамическое качество оказалось несколько выше расчетного.

Постепенное свертывание, а затем и полное закрытие программы "Буран" не позволили провести интересные эксперименты по радиосвязи на плазменном участке спуска в атмосфере, для чего на базе "БОРа-4" был изготовлен "БОР-6" со специальными охлаждаемыми антеннами, вынесенными в набегающий поток.

"БОР-4" создавался в Летно-исследовательском институте (ЛИИ) им.Громова. Изготовление и сборка аппаратов проводились на Тушинском машиностроительном заводе. "БОР-5" изготавливался на ЭМЗ им.Мясищева при участии специалистов ЛИИ и НПО "Молния". Испытания обоих вариантов моделей проводились представителями ЛИИ с участием специалистов военного испытательного института, НПО "Молния" и других организаций под руководством Госкомиссии, возглавляемой первым заместителем начальника ГУКОС генерал-лейтенантом авиации Г.С.Титовым.

Источники:
1. Доклад Г.Е.Лозино-Лозинского, Л.П.Воинова и В.А.Скороделова "Летные эксперименты по программе "Космос", проведенные в обеспечение создания ОК "Буран" (ИИЕТ РАН, 30 марта 1992).
2. Авиационно-космические системы. СБОРник статей под редакцией Г.Е.Лозино-Лозинского и А.Г.Братухина, М., Изд. МАИ, 1997, с.296-302.
3. Space Shuttle by Dennis R.Jenkins, 1996, pp.49-53.

Возврат к предыдущей публикации Возврат к оглавлению Библиографии Переход к последующей публикации

Переход на:

возврат на homepageпереход к ОК БУРАНпереход к космодрому Байконурк ракете ЭНЕРГИЯПОЛЕТ БУРАНАпереход к МАКСупереход на Гостевую книгу (короче, в гости!)разработки НПО МОЛНИЯпереход к карте сайтапереход к web-мастеру
Web-master: ©Вадим Лукашевич 1998-2008
E-mail: buran@buran.ru