Открытие обновленного павильона «Космос» (№ 32-34) на ВДНХ приурочили ко Дню космонавтики. На церемонии присутствовал президент Российской Федерации.

В павильоне начал свою работу крупнейший экспозиционный музей — Центр «Космонавтика и авиация». Внутри удалось восстановить оригинальные мозаики на стенах. Под куполом смонтирована пятиконечная люстра-звезда (копия звезды Троицкой башни Москвовского Кремля). Около 1500 специалистов участвовали в процессе реконструкции.

История павильона «Космос»

На первой Выставке достижений народного хозяйства павильон носил название «Механизация». Его задачей было показать успехи в развитии сельскохозяйственной техники. На двух этажах ангара демонстрировались тракторы, комбайны, плуги и т. п. 15 лет спустя количество экспонатов заметно прибавилось. У площадки сменилось название на «Механизация и электрификация сельского хозяйства». В 60-х годах тематика экспозиции меняется. Открывается новое направление «Космос».

В начале 90-х павильон «Космос» переживает период забвения. Образовательные площадки упраздняются, на их месте появляются ларьки с товарами для садоводов. В 2017 году ситуация меняется в лучшую сторону. Муниципалитет города Москвы приступает к реставрационным работам по восстановлению космической выставки. Работы заняли чуть больше года. Уже с 2018 года Центр «Космонавтика и авиация» начал принимать первых гостей.

Новый Центр стал популярен у москвичей и гостей города. В музее смогут удовлетворить свое любопытство взрослые и дети.

Экспозиция

В Центре «Космонавтика и авиация» находится одна из самых больших экспозиций, посвященных истории российской космонавтики. Всё, начиная с идеи покорения космоса. Гости павильона могут лицезреть гигантские макеты космических кораблей и оборонно-промышленной техники. Их свыше 120 единиц.

Также возможно совершить тур по нашей галактике и ознакомиться с двумя тысячами редких образцов фото-, видеоматериалов, документов, связанных с проектами развития космической программы. Выставочное пространство делится на: «Космический бульвар-1», «Конструкторское бюро-2» и «Космодром будущего-3».

В «КБ-1. Космический бульвар» представлены самые масштабные экспонаты павильона: макеты орбитальных станций «Мир» и «Алмаз», ракетный двигатель РД-170, ракета-носитель Н-1, космические аппараты ГЛОНАСС-К, «Экспресс-1000», «Союз», луноход «Луна-17» и многое другое.

Вес макета орбитальной станции «Мир» более 30 тонн.

Зона «КБ-2. Конструкторское бюро» больше похожа на научную лабораторию. Посетители смогут узнать об исследованиях и разработках в области космической медицины и биологии. Отдельное место занимает проект «Люди в космосе». Он рассказывает о подвигах первых космонавтов.

В зоне «КБ-3. Космодром будущего» для посещения доступен 5D-кинотеатр «Космическая сфера». В нем показывают тематические фильмы. Также под куполом установлены симуляторы полетов, с помощью которых можно побывать на далеких планетах и звездах.

Также Центр занимается образовательной деятельностью. Для этого в его стенах работают детский и молодежный исследовательские кружки.

Экскурсии

В Центре «Космонавтика и авиация» со вторника по воскресенье организуются обзорные экскурсии. Они проводятся каждый час с 11:30 до 20:30 без предварительной записи. Экскурсия длится около 1 час. Билеты возможно приобрести только в кассах павильона «Космос». Входной билет покупается отдельно.

Часы работы павильона «Космос»

Центр «Космонавтика и авиация» на ВДНХ работает со вторника по воскресенье с 11:00—22:00, понедельник — технический день. Вход в павильон только по сеансам: 11:00—13:00; 13:00—15:00; 15:00—17:00; 17:00—19:00; 19:00—21:00.

Цены на билеты в павильон «Космос» на ВДНХ

Входной билет: 500 рублей, льготный — 250 рублей.

Обзорная экскурсия: 300 рублей, льготная — 200 рублей.

Льготный билет выдается при предъявлении необходимых удостоверяющих документов в кассе павильона. Билеты продаются в кассах павильона и на официальном сайте Центра.

Как добраться до Центра «Космонавтика и авиация»

Центр «Космонавтика и авиация» находится в павильонах № 32-34 «Космос» на ВДНХ. Расстояние от Главного входа до него получится пройти примерно за 15 минут. Двигаться нужно прямо по Центральной аллее до макета ракеты «Восток». Также можно воспользоваться автобусом № 533. До ВДНХ можно добраться на общественном транспорте или такси.

Общественный транспорт

Метро: станция «ВДНХ» Калужско-Рижской линии (оранжевая ветка). Путь от центра Москвы до ВДНХ получится преодолеть за 20 минут. Пересесть на линию получится с Кольцевых, Сокольнической, Таганско-Краснопресненской, Замоскворецкой веток.

Автобусы: М9, Т13, 15, 33, 56, 76, 85, 93, 136, 154, 172, 195, 244, 266, 311, 378, 379, 496, 544, 834, 803, 903, Н6.

Автобус на территории ВДНХ: № 533, до остановки «Дворец бракосочетания».

Монорельс: остановки «Выставочный центр» и «Улица Сергея Эйзенштейна».

Троллейбусы: № 14, 36, 73, 76.

Трамваи: 11, 17, 25.

Такси

До ВДНХ можно добраться на такси, используя приложения: Яндекс. Такси, Uber, Gett, Maxim.

Это сегодня никого не удивишь «Шаттлами». Но мало кто знает, что первые «космические самолеты» были созданы почти сорок лет назад. Комплексные исследования возможностей создания орбитального летательного аппарата, способного стартовать и совершать посадку как обыкновенный самолет, были начаты еще в 1965 году.

Миг-105-11 / Фото: www.flickr.com

В них приняли участие Королев и Туполев, а сам космоплан планировалось построить силами КБ МиГ. Официально старт проекту был дан 26 июня 1966 года. Одновременно приступили к формированию особой группы космонавтов, которым предстояло поднимать космолеты в воздух. Спустя десять лет - в октябре 1976 года – новый летательный аппарат, получивший название «ЭПОС» (Экспериментальный Пассажирский Орбитальный Самолет) впервые поднялся в воздух.

Правда, взлетел он невысоко – всего лишь на 560 метров и так, «низенько-низенько», перелетел на 19 километров – на аэродром испытательного центра им. Жуковского.

Годом позже, 27 ноября 1977 года, Миг-105-11 (так теперь стал называться «ЭПОС») совершил первый «воздушный» старт – на высоту 5000 метров космоплан был поднят при помощи Ту-95К. После успешного полета Миг-105 в рамках эксперимента осуществил посадку на земляной взлетно-посадочной полосе (без специального покрытия).

Восьмой полет космоплана (в сентябре 1978 года) оказался последним: во время посадки произошла авария, аппарат получил тяжелые повреждения и был списан. Поскольку к тому времени руководством страны было принято решение о создании более тяжелых, многоместных космических кораблей многоразового использования (будущих «Буранов»), Миг-105-11 не пошел в серийное изготовление.

Проект был закрыт, однако прототип был в целом признан весьма удачным, поэтому многие его конструктивные и технологические решения впоследствии использовались при разработке следующего поколения «космических челноков».

Миг-105-11 обладал характерным силуэтом / Фото: www.buran.ru

Миг-105-11 на испытаниях / Фото: www.buran.ru

Миг-105-11 обладал характерным силуэтом, с задранным «курносым» носом и плоским в нижней части корпусом, за что и получил кличку «Лапоть». Такая форма, по замыслу конструкторов, должна была существенно снизить нагрузки на корпус при повторном входе в атмосферу. Уникальной особенностью самолета являлись «машущие» крылья: при взлете, нахождении на орбите и обратном входе в атмосферу они могли подниматься до 60 градусов над плоскостью горизонта, работая в качестве вертикальных рулей.

При переходе же на дозвуковую скорость, крылья устанавливались в обычное, горизонтальное положение, способствуя увеличению подъемной силы. Управление аппаратом осуществлялось при помощи вертикального руля, элеронов на концах «машущих» крыльев и воздушных дюз, расположенных в верхней части фюзеляжа, ближе к хвосту.

Миг-105-11 на открытой стоянке / Фото: www.buran.ru

Миг-105-11 на стоянке в Монино / Фото: www.buran.ru

Космонавт во время полета находился в герметичном отсеке-капсуле, которая в случае возникновения опасности или аварии аппарата могла быть «отстрелена». Если это происходило в пределах земной атмосферы, то отсек вместе с пилотом имел шанс мягко приземлиться при помощи системы парашютов. Если же беда случалась на орбите, то надежды же на спасение практически не было.

В виде стартового двигателя Миг-105-11 предполагалось использовать ракеты типа «Восток». Собственная же двигательная система космоплана состояла из турбореактивного двигателя РД-36-35-К, весом в 2,3 тонны. Запас топлива для него составлял 500 кг, что обеспечивало 10 минут полета на максимальной тяге.

Обычно этот двигатель использовался при старте «с колес», в том числе с полевых взлетно-посадочных полос (без специального покрытия).

Конструктивно-технологическое членение планера самолета-аналога "105.11" / Фото: www.buran.ru

На фото цифрами обозначено:

1. носовая часть фюзеляжа
2. левая передняя стойка шасси
3. правая передняя стойка шасси
4. щитки шасси
5. хвостовая часть фюзеляжа
6. правая консоль крыла
7. левая консоль крыла
8. обтекатели консолей крыла
9. киль с рулем направления
10. задняя правая стойка шасси
11. задняя левая стойка шасси
12. теплозащитный экран
13. раскосы стыка головной
14. хвостовой частей фюзеляжа

«Обычный» двигатель должен был также обеспечить космолету свободу маневра при возвращении, например, перелететь на запасной аэродром, если в районе основного портилась погода и т.п. Интересно, что подобные двигатели планировалось вначале устанавливать и на «Шаттлах», но, в конце концов, американские конструкторы решили от них отказаться в целях уменьшения веса «челноков».

Орбитальный двигатель состоял из основного (с тягой 1500 кгс) и двух вспомогательных (по 40 кгс). Кроме них Миг-105-11 обладал шестью двигателями для осуществления курсовых поправок (по 16 кгс) и десятью двигателями для маневрирования (по 1 кгс.). Топливные баки для этих двигателей были расположены в центральной части самолета.

Достойно восхищения, что столько сложной и умной техники удалось «упаковать» в достаточно скромный по размерам корпус – длиной 8,5 и максимальной шириной 2,8 метра. Пока раскрыты далеко не все тайны проекта, осуществленного почти сорок лет назад.

Так, например, несмотря на свою «пассажирскую» аббревиатуру (ЭПОС), известно, что Миг-105-11 рассматривался в качестве прототипа космического истребителя. Какое оружие предстояло ему нести и кого атаковать – самолеты и искусственные спутники противника или, быть может, его наземные объекты – пока остается загадкой…

Схема МиГ-105-11 / Фото: www.buran.ru

Основные тактико тежнические характеристики

Мечтать, как говориться, не вредно, а временами даже полезно. Полеты на крыльях в космос туда и обратно – именно та сфера, где мечта и реальность соприкасаются настолько близко, что, порой, рождаются поистине удивительные проекты.

Идеи по созданию космполанов возникли задолго до полета Ю.Гагарина. Отдаленным намеком на космический корабль можно считать американский испытательный самолет Bell X-1, оснащенный ракетным двигателем, который первый в мире преодолел звуковой барьер. Это еще на ступеньку приблизило человека к заветной цели. Именно на сверхзвуковые самолеты возлагает свои надежды космическая авиация.

В СССР создание воздушно-орбитального самолета началось в 60-х прошлого века. Так появился проект «Спираль», который предполагал постройку двухступенчатой системы.

Космическая авиация

Вторая ступень комплекса «Спираль» - орбитальный самолет. Конструкция предполагала, что он будет работать на фторо-амиачном топливе, что позволило бы самолету менять в полете угол, в зависимости от поставленной задачи. Но проект «Спираль» был прикрыт. Советское руководство решило переключиться на аналог американского шаттла, получивший название «Буран»: к сожалению, ничем хорошим это не закончилось.

В Минобороны США сейчас работают над экспериментальным космическим беспилотником, первый полет которого намечен на 2017 год. XS-1 (буква X в названии американских летательных судов свидетельствует, что проект связан с космической авиацией) должен быть способен на самостоятельные полеты, а также на вывод спутников на орбиту Земли.

Еще один представитель американской космической, так сказать, авиации в проекте - малый самолет-исследователь окружающей среды, сокращенно ARES (от Aerial Regional-Scale Environment Surveyor). Правда, он не совсем космический, но зато самый дальний из всех. С ним американцы собираются вылететь далеко за орбитальные пределы. ARES нацелен, как ему и полагается (с таким-то названием) на Марс. Туда его, конечно, доставят, чтобы помогал в исследовании красной планеты. По мнению ученых, малое летательное судно подобного типа нужно для многих задач, которые марсоходам выполнить пока не под силу.

Космическая авиация

Граница с космосом манит и частных пилотов-любителей. Не удивительно: экспериментальная авиация сегодня доступна всем, у кого есть на это время, средства и, главное, энтузиазм. Тогда на свет появляются проекты, подобные Perlan II. Идея бывшего летчика-испытателя NASA заключается в том, чтобы поднять планер на рекордную высоту в 27 километров, практически на границу с открытым космосом. Уверенность основателей зиждется на огромном опыте изучения вертикальных стратосферных потоков, образующихся над горной местностью. Именно с их помощью команда Perlan II собирается поднимать свое судно. Неожиданно, на проект обратила свое внимание компания Airbus, которая решила оказать ему финансовую и техническую помощь.

Центр "Космонавтика и авиация" - крупнейший космический музейный центр в современной России, расположившийся в стенах исторического павильона "Космос" на .

Экспозиция музея включает большое количество экспонатов, демонстрирующих достижения отечественной космонавтики: от архивных документов до макетов космических аппаратов, выполненных в натуральную величину. Он создан для популяризации достижений отечественной ракетно-космической, авиационной и оборонной промышленности и реализован как совместный проект правительства Москвы, ВДНХ, госкорпорации "Роскосмос" и ряда предприятий военно-промышленного комплекса России. Своеобразным экспонатом стало и само здание легендарного павильона, построенное в советские годы.

Располагая обширной и интересно поданной коллекцией, центр "Авиация и космонавтика" на ВДНХ стал одной из знаковых космических точек на карте Москвы - и мощнейшей туристической достопримечательностью.

Экспозиция

Масштабная экспозиция музея посвящена достижениям отечественной космонавтики и перспективным проектам освоения космоса. Пространство павильона условно разделено на 3 части: "КБ-1. Космический бульвар" (музейно-выставочное пространство), "КБ-2. Конструкторское бюро" (образовательно-научное пространство) и "КБ-3. Космодром будущего" (интерактивно-досуговое пространство), благодаря чему экспозиция раскрывается поэтапно, от первых идей покорения космоса к самым современным наработкам.

Ознакомление с экспонатами возможно как в индивидуальном порядке, так и с экскурсией.

В "КБ-1" можно увидеть натурные экспонаты и полноразмерные макеты космических кораблей и аппаратов, которые демонстрируют реализованные проекты 20 века и достигнутые отечественной космонавтикой успехи. В экспозиции представлено свыше 120 уникальных образцов летательной и космической техники, никогда ранее не выставлявшихся для обозрения в музейном пространстве, а также большое количество архивных документов, фото- и видеоматериалы. Самым масштабным экспонатом стал макет орбитальной станции "Мир", выполненный в натуральную величину (1:1, вес макета - более 30 тонн) и включающий 4 модуля ("Мир", "Квант-1", "Квант-2" и "Кристалл"). Здесь также можно увидеть макеты спутников "Спутник-1" (1:1) и "Луч-5А" (1:1), планетохода "Луноход-1" и станции "Луна-17" (1:1), орбитальный самолёт МАКС, ракетоплан БОР-4, жидкостный ракетный двигатель РД-170, компактные макеты космодромов и ракет, а также различные детали космических аппаратов. Экспозиция интерактивна: посетители музея могут не только посмотреть фото и видео, но и поиграть в тематические игры на расставленных по залу дисплеях.

"КБ-2" - образовательное пространство, где размещены детский образовательный и молодёжный экспериментальный центры, а также разделы "Космическая промышленность и инфраструктура", "Исследование Земли из космоса", "Исследование планет Солнечной системы", "Космическая медицина и биология" и другие. Здесь посетители музея могут получить представление о том, какие задачи и проекты являются приоритетами современной космической отрасли.

"КБ-3" - интерактивное пространство, зона виртуальной реальности, представляющая посетителям образ космической цивилизации и перспективы космонавтики в отдалённом будущем. Центром пространства стал двухуровневый экспозиционный модуль "Монолит", вокруг и внутри которого разместились интерактивные экспонаты и активности: игровые симуляторы, говорящий робот и 5D-кинотеатр "Космическая сфера", где можно наблюдать запуск ракеты или вид Земли из космоса.

Особенность экспозиции - в её интерактивности: по всему павильону расставлены дисплеи с тематическими видео- и аудиозаписями, наглядными схемами устройства космических аппаратов, различными играми, подходящими для детей и взрослых.

Павильон "Космос"

Павильон № 32-34 "Космос" ("Космос / Машиностроение") - один из легендарных павильонов ВДНХ, долгое время находившийся в запустении.

Здание было построено в 1939 году по проекту архитекторов Ивана Таранова, Виктора Андреева и Надежды Быковой - изначально павильон носил название "Механизация" и был посвящён сельскохозяйственной технике. Позже его экспозиция расширилась, и он стал носить имя "Механизация и электрификация сельского хозяйства"; в 1954 году павильон реконструировали, и он приобрёл современный вид. В 1960-х экспозицию полностью сменили, и в период с 1967-го по 1991 год в павильоне размещалась постоянная выставка, посвящённая освоению космоса - именно в таком виде павильон "Космос" и запомнился москвичам. Однако, в 1990-х годах он, как и многие другие павильоны ВДНХ, превратился в торговую площадку. Здесь стали продавать саженцы и товары для садоводов, коллекции и отделка при этом были частично утрачены.

Запустение "Космоса" продолжалось до 2015 года, когда павильон освободили от арендаторов, а в 2016 году началось его восстановление. Павильон не просто отремонтировали и приспособили под современное использование, но и бережно восстановили утраченные декоративные детали и отреставрировали сохранившиеся. Одновременно с этим специалисты прорабатывали концепцию будущего музея.

13 апреля 2018 года в обновлённом павильоне "Космос" открылся центр "Авиация и космонавтика", и легендарный павильон после долгих лет запустения вновь стал одной из мощнейших достопримечательностей Москвы.

В настоящий момент павильон "Космос" - не просто здание, а выдающийся памятник советской архитектуры, который сам по себе выступает в роли ценного экспоната. Посетители центра "Авиация и космонавтика" имеют возможность увидеть его не только снаружи, но и внутри: посмотреть на смальтовое панно на тему электрификации СССР, гербы союзных республик и огромную кремлёвскую звезду под куполом.

Режим работы, как добраться

Центр "Космонавтика и авиация" в павильоне "Космос" открыт для посещения ежедневно, кроме понедельника. Лучше всего посещать его по будням, когда в павильоне меньше посетителей.

Часы работы: с 11:00 до 22:00. Посещение организовано по сеансам:

11:00 - 13:00;

13:00 - 15:00;

15:00 - 17:00;

17:00 - 19:00;

19:00 - 21:00 (вход на последний сеанс возможен только до 21:00, с этого времени и до 22:00 центр работает только на выход).

Стоимость посещения: 500 рублей - полный, 250 рублей - льготный, для отдельных льготных категорий предусмотрено бесплатное посещение.

Официальный сайт центра "Космонавтика и авиация": cosmos.vdnh.ru - на нём можно уточнить график работы и цены билетов в конкретный выбранный день, а также купить билеты онлайн или заказать экскурсию.

Павильон "Космос" находится на площади Промышленности ВДНХ по адресу проспект Мира, 119 строение 34. Добраться до него можно пешком от станции метро "ВДНХ" Калужско-Рижской линии.

Из атмосферы – в космос. Воздушно-космический самолет – транспорт будущего

Интенсивное освоение околоземного космического пространства уже в ближайшем будущем приведет к резкому возрастанию орбитальных грузопотоков. Принципиально новые космические транспортные системы могут быть созданы на основе воздушно-космических самолетов (ВКС) с комбинированной силовой установкой. На начальном этапе разгона ВКС использует для создания подъемной силы воздух, а для окисления топлива – атмосферный кислород, как обычный самолет. Это позволяет значительно уменьшить затраты топлива и стартовую массу по сравнению с обычными ракетными системами.

Длительность полета со сверхзвуковыми скоростями предъявляет такому летательному аппарату особые требования, поскольку он подвергается мощным тепловым и силовым воздействием атмосферы. Одно из решений по уменьшению аэродинамического сопротивления – активное управление обтеканием самолета посредством подвода тепла в набегающий сверхзвуковой поток с помощью лазерного или СВЧ-излучения

Перспективы использования околоземного космического пространства огромны. Системы связи и навигации, мониторинг окружающей среды, разведка полезных ископаемых, управление климатом, производство новых материалов и многое, многое другое. Вся эта деятельность потребует создания и эксплуатации космических станций многофункционального назначения, а значит – доставки на околоземную орбиту большого количества грузов. Все более актуальной становится и задача возвращения из космоса аварийных и отработавших конструкций, так как его «засорение» грозит серьезными осложнениями. Отсюда – назревшая необходимость в создании принципиально новых космических кораблей, которые уже в недалеком будущем смогут справиться с возросшими транспортными потоками.

Ракетные системы, существующие сегодня, не в состоянии обеспечить перемещение на околоземную орбиту грузов в больших объемах. Причины этого заключаются не только в высокой стоимости, но и в длительном времени стартовой подготовки и малом количестве самих стартовых комплексов.

Принципиально новые транспортные системы могут быть созданы на основе воздушно-космических самолетов (ВКС) с комбинированной силовой установкой, включающей прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД), работающий на водороде, и жидкостный ракетный двигатель (ЖРД). Используя на большей части атмосферного участ­ка траектории разгона воздух для создания подъемной силы и атмосферный кислород для окисления топлива, можно значительно уменьшить затраты топлива и стартовую массу ВКС. Такой воздушно-космический самолет способен доставить на околоземную орбиту груз, вес которого равен 3-5 % от взлетного. При этом, по оценкам специалистов, удельная стоимость доставки будет в 20-50 раз меньше, чем при использовании ракет.

Будучи самолетом, ВКС имеет ряд и других преимуществ перед ракетными системами. Он может горизонтально стартовать с любого аэродрома (отпадает необходимость в сложных и дорогостоящих стартовых комплексах), причем подготовка к старту занимает существенно меньшее время. ВКС способен выйти на нужную околоземную орбиту за счет маневрирования в атмосфере, а не в космосе, что требует значительно меньших затрат топлива. У него практически отсутствует характерная для ракет зона отчуждения, куда падают отработавшие элементы конструкции. Благодаря этим преимуществам ВКС можно использовать и при проведении быстрых спасательных операций.

Однако к такому «универсальному» летательному аппарату предъявляются и особые требования. Ведь в отличие от возвращаемых отсеков космических аппаратов ВКС должен совершить в атмосфере достаточно длительный полет с гиперзвуковыми скоростями, используя непрерывно работающую двигательную установку. Поэтому основные трудности создания подобного летательного аппарата обусловлены, в первую очередь, структурой теплового и силового воздействия атмосферы.

При полете максимальное давление на аппарат пропорционально квадрату скорости набегающего потока, а тепловая нагрузка в критической точке носовой части аппарата, соответствующей точке торможения потока, – кубу скорости. В результате при гиперзвуковых скоростях полета (М * > 6) тепловая нагрузка возрастает почти в десять раз и более по сравнению со сверхзвуковыми скоростями (М ≤ 3), а равновесная температура теплоизолированной оболочки летательного аппарата – почти в три раза.

Решение этих проблем при создании гиперзвуковых летательных аппаратов требует от инженеров-кон­структоров поиска принципиально новых научно-технических идей, прежде всего в области материалов, аэродинамики и теплообмена.

Основной вес – топливо

Исследования по разработке технологии гиперзвукового полета с прямоточным воздушно-реактивным двигателем на водороде велись с середины прошлого века в ряде зарубежных стран (США, Франции, Германии, Японии, Китае, Австралии), а также в СССР, где разрабатывались две гиперзвуковые системы – «Спираль» и «Буран».

Несмотря на значительные достигнутые успехи в разработке технологий ВКС, множество проблем остались нерешенными. И первые в этом ряду – взаимосвязанные проблемы двигателя и конфигурации самого летательного аппарата, поскольку затраты топлива для выведения на орбиту определяются главным образом характеристиками силовой установки и аэродинамическим качеством компоновки самолета.

На основе исследований аэродинамического качества конфигураций летательных аппаратов и удельного импульса ПВРД с использованием экспериментальных моделей в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН была рассчитана масса горючего, необходимого для разгона ВКС до 1-й космической скорости **. Оказалось, что она должна составлять около 70 % от его стартовой массы. Расчеты показали, что значение стартовой массы очень чувствительно к вариации относительной массы горючего. Например, уменьшение (увеличение) затрат топлива на 1 % будет приводить к соответствующему изменению стартовой массы ВКС на 25 %.

Поэтому неудивительно, что на массу самой кон­струкции ВКС накладываются весьма жесткие ограничения. Относительная большая масса конструкции допускается только для многоступенчатых систем, в частности, при условии сброса отработавших элементов конструкции на определенных участках траектории полета. Однако при этом условия эксплуатации многоступенчатых систем усложняются, соответ­ственно увеличивается стоимость.

Греем воздух

Достигнуть снижения расхода горючего можно, увеличив аэродинамическое качество (т. е. отношение аэродинамической подъемной силы к аэродинамическому сопротивлению) и удельный импульс силовой установки (отношение тяги двигателя к расходу топлива). Многочисленные экспериментальные исследования аэродинамических характеристик гиперзвуковых летательных аппаратов свидетельствуют, что их максимальное аэродинамическое качество в гиперзвуковом диапазоне скоростей имеет конечный предел при реальных числах Рейнольдса (отношение динамической силы к силе трения) K max ≈ 6.

Поскольку увеличить этот показатель посредством аэродинамического конструирования не удается, в настоящее время большое внимание уделяется решению задачи активного управления обтеканием тел посредством энергетического и (или) силового воздействия на набегающий поток, в частности, посредством подвода тепла в сверхзвуковой поток перед телом. Для технической реализации этой идеи предполагается использовать лазерное и СВЧ-излучение.

Оценка массы горючего, необходимого для разгона воздушно-космического самолета до 1-й космической скорости, была сделана на основе решения дифференциального уравнения, обобщающего формулу К. Э. Циолковского при действии внешних сил. В этом случае затраты топлива, необходимые для увеличения скорости летательного аппарата на заданную величину ΔV , зависят не только от эффективности силовой установки, но и от комплекса  σ= Kn v (K – аэродинамическое качество, отношение аэродинамической подъемной силы к аэродинамическому сопротивлению; n v – продольная перегрузка, отношение ускорения самолета к ускорению свободного падения).
Эффективность силовой установки характеризуется удельным импульсом I e (отношение тяги двигателя к расходу топлива). Чем больше удельный импульс и комплекс σ, тем меньше затраты топлива. Это понятно: увеличение аэродинамического качества означает уменьшение аэродинамического сопротивления при заданной подъемной силе, уравновешивающей вес самолета; увеличение продольной перегрузки уменьшает время разгона. Макси­мальное значение n v ограничивается прочностью конструкции и способно­стью человека выдерживать длительные (десятки минут) перегрузки.
Стартовая масса ВКС m 0 равна сумме масс конструкции m K , запаса топлива (горючего) m T и выводимой на орбиту полезной нагрузки m pn:
m 0  = m K  + m T  + m pn
Вводя относительные величины m k  = m K   / m 0 и m Т  = m Т  / m 0 , получим
m 0  = m pn  / 1 – m̅ T  –m̅ K
Из этого следует, что на массу конструкции накладываются весьма жесткие требования m̅ K ≤ 0,3, а значение стартовой массы очень чувствительно к вариации относительной массы горючего:
 δm 0  / m 0  =   δm̅ Т  / m̅ pn
Уменьшение относительной массы топлива приводит не только к уменьшению стартовой массы ВКС, но также позволяет ослабить требования к конст­рукции

В большинстве таких теоретических и экспериментальных исследований рассматривается задача уменьшения аэродинамического сопротивления. Этот эффект связан главным образом с уменьшением плотности газа в набегающем потоке, что подтверждено расчетами и непосредственными измерениями. Определенную роль могут играть также изменения режима обтекания вследствие изменения числа Маха или числа Рейнольдса, а также ионизации потока.

На примере обтекания гиперзвуковым потоком газа трапециевидного модельного профиля было показано, что на аэродинамическое сопротивление и подъемную силу можно влиять путем формирования в набегающем потоке ступенчатого распределения температуры (что соответствует ступенчатому распределению плотности газа). Добиться такого эффекта можно, например, при импульсно-периодическом нагреве потока комбинированием лазерного и СВЧ-излучения. При этом максимально высокое аэродинамическое качество достигается в режиме глиссирования, когда полет происходит на границе раздела сред высокой и низкой плотности.

Функциональные модели

Проверка того или иного способа управления набегающим потоком воздуха может быть проведена с помощью так называемого функционального моделирования. В этом смысле летательный аппарат – сложную иерархическую систему – можно представить в виде взаимосвязанной совокупности различных подсистем, определяемых по функциональным признакам.

Математическая модель летательного аппарата состоит из ряда блоков: аэродинамические характеристики, тяга и удельный импульс двигателя, траектория полета, функциональные ограничения, оптимальное управление. Таким образом, в ней отражены функциональные характеристики и связи элементов в целом, без жесткой привязки к конкретным реализующим устройствам.

С использованием такой модели можно оценить как принципиальную возможность достижения поставленной цели, так и конкретные характеристики (эффективность, критические режимы работы и т. п.). Меняя базовые значения характеристик отдельных элементов, можно определить их влияние на функциональные свойства системы в целом и установить величину допустимых возмущений – выработать требования к точности измерения параметров.

Особенность функционального моделирования в том, что синтез и анализ объекта производится при небольшом объеме начальной информации. Отсюда следует, во-первых, итерационный характер построения математической модели, предполагающий постоянную корректировку процесса с учетом уже полученных результатов. Во-вторых, в модели предусматривается минимальное число задаваемых входных параметров, что уменьшает степень неопределенности при установлении характеристик летательного аппарата.

Второе обстоятельство стимулирует поиск новых, более обобщенных форм представления функциональных свойств элементов. Естественно, они должны соотноситься с множеством возможных конкретных устройств. Однако выбор и разработка самих устройств – это уже следующий этап работы.

Горение в сверхзвуковом потоке

Важнейшая часть силовой установки ВКС - прямоточный воздушно-реактивный двигатель, теоретиче­скому и экспериментальному исследованию которого посвящено много работ.

Концепция использования ПВРД для полета с гиперзвуковыми скоростями предусматривает, что в канале двигателя сгорание топлива должно происходить в сверхзвуковом потоке воздуха. При этом количество сгорающего топлива должно быть достаточным для получения требуемой тяги. Известный итальянский физик, создатель первой аэродинамической сверхзвуковой трубы А. Ферри предложил несколько способов впрыска топлива в поток и описал возможные схемы возникающих при этом течений. Однако сведения об их практической реализации отсутствуют.

Вообще же диагностика потоков, образующихся при сгорании топлива, чрезвычайно затруднена из-за неравномерного распределения параметров течений и неравновесности процессов. До сих пор нет достоверных экспериментальных данных, свидетельствующих, что в канале двигателя действительно сохраняется сверхзвуковое течение при его «подогреве» в результате сгорания топлива, учитывая, что статическая температура газа при этом не должна превышать 2500-2700 °K. Это ограничение, важное при гиперзвуковом полете, связано с необходимостью в ограничении степени диссоциации продуктов сгорания, поскольку последняя приводит к уменьшению работоспособности газового потока и, следовательно, к уменьшению тяги двигателя.

Для определения характеристик ПВРД существующими методами требуется задание некоторого множества определяющих величин, зависящих от газодинамических и геометрических параметров двигателя и определяемых, как правило, экспериментально. Поэтому эти методы малопригодны при функциональном моделировании, когда нужно определить минимальную совокупность основных параметров, которые относительно мало (и предсказуемо) меняются в процессе функционирования системы.

В рамках такого подхода в ИТПМ была построена функциональная математическая модель силовой установки, которая позволяет получать оценки коэффициента тяги и удельного импульса ПВРД и комбинации ракетного и прямоточного двигателей. При этом учитывается, что часть энергии продуктов сгорания будет использоваться для управления внешним обтеканием самолета.

Оценки эффективности управления внешним обтеканием посредством нагрева воздуха перед летательным аппаратом показали, что при крейсерском полете на сверхзвуковых скоростях значительно – до трети, в зависимости от числа Маха полета, – увеличивается так называемый коэффициент дальности Бреге *** за счет увеличения аэродинамического качества.

Сравнение расходов топлива на разгон с нагревом воздуха перед ВКС и без нагрева было сделано на оптимальных траекториях полета, когда используется комбинированный двигатель. Экономия топлива на траектории разгона составила 3 % от взлетного веса ВКС. Это означает, во-первых, что облегчается решение конструкторских задач. Во-вторых, – что появляется возможность значительно увеличить полезную нагрузку космического аппарата.

По различным оценкам, вес выводимой на орбиту полезной нагрузки составляет 3-5 % от стартового веса самолета – цифры, сравнимые с расчетной величиной экономии топлива при управлении обтеканием самолета. Таким образом, очевидно, что управление обтеканием ВКС посредством нагрева набегающего потока будет весьма эффективно как при крейсерском режиме, так и при разгоне.

Нужна тепловая защита

Существует еще ряд более частных, хотя и не менее важных, проблем, которые нужно решать при создании воздушно-космического самолета. Одна из них - интенсивный аэродинамический нагрев, который длительное время приходится выдерживать конструкции планера, ведь тепловой поток на поверхность самолета пропорционален скорости полета в третьей степени. Такое тепловое воздействие – настоящий барьер, который надо преодолеть при создании гиперзвуковых самолетов.

Высокие температуры практически всех участков поверхности летательного аппарата исключают возможность использования для его конструкции традиционных металлов (алюминий, титан, сталь). Возможные способы тепловой защиты поверхности подразделяются на пассивные и активные, а также их комбинации. К первым относится, например, использование разрушающихся материалов, излучающих покрытий, покрытий с низкой температуропроводностью, характеризующихся невысокой скоростью выравнивания температуры. Методы активной тепловой защиты предусматривают принудительную подачу охлаждающего вещества к горячей поверхности, которое, возможно, будет проникать и в пограничный слой внешнего воздушного потока.

Весьма перспективным представляется метод тепловой конверсии углеводородного топлива, которое может частично замещать жидкий водород. При этом смесь углеводородного топлива с водой подается по каналам под горячими поверхностями. Под воздействием теплового потока происходит эндотермическая реакция образования синтез-газа (смеси монооксида углерода и водорода), идущая с поглощением тепла.

Реакция сопровождается интенсивным конвективным движением среды, что обеспечивает достаточно большие значения коэффициента теплопередачи и малое термическое сопротивление между средой и нагретой стенкой. В результате температура поверхности будет понижаться. «Бонусом» в данном случае будет увеличение энергии топлива за счет поглощения внешнего теплового потока.

Еще один тактический прием тепловой защиты ВКС – уменьшение площади поверхностей, которые необходимо защищать от воздействия высоких температур. В ИТПМ СО РАН была разработана концепция конвергентного воздухозаборника и дивергентного сопла, имеющих более компактные размеры по сравнению с обычными. Модель такого летательного аппарата была испытана в импульсной аэродинамической трубе института при М = 7,8 с работающим двигателем на водороде, и экспериментальные результаты совпали с предсказанными расчетными данными.

При полете со сверхзвуковой скоростью ударные волны, генерируемые самолетом, достигают поверхности земли. Перепад давления на ударной волне создает так называемый звуковой удар. Воздействие перепада давления на ушные перепонки может быть очень болезненным; сила удара может быть такова, что будут разбиваться даже оконные стекла. Уменьшить звуковой удар можно благодаря специальной компоновке летательного аппарата, выбора траектории и режима полета, а также активного воздействия на структуру ударных волн в окрестностях летательного аппарата.

Даже приведенный здесь краткий обзор демонстрирует беспрецедентную сложность создания одноступенчатого воздушно-космического самолета. Однако мощным стимулирующим фактором для форсирования работ по его созданию служит экспоненциальный рост темпа освоения околоземного космического пространства.

Для выполнения всего комплекса работ (научные исследования, проектные разработки, изготовление опытного образца, экспериментальная доводка, создание эксплуатационных структур) требуются громадные людские, материальные и финансовые ресурсы. Выполнить задуманное, вероятно, станет возможным лишь при объединении усилий многих стран. Но цель стоит того, ведь дальнейшее освоение космического пространства должно способствовать успешному и мирному развитию человеческой цивилизации.

Литература

Бурдаков В. П., Данилов Ю. И. Внешние ресурсы и космонавтика. М.: Атомиздат, 1976.

Георгиевский П. Ю., Левин В. А. Управление обтеканием различных тел с помощью локального подвода энергии в сверхзвуковой набегающий поток // Изв. РАН. МЖГ. 2003. № 5. С. 154-167.

Латыпов А. Ф. О математическом моделировании летательных аппаратов на этапе выработки концепции // ЧММСС, 1979. Т. 10, № 3. С. 105-110.

Латыпов А. Ф., Фомин В. М. Оценка энергетической эффективности подвода тепла перед телом в сверхзвуковом потоке // ПМТФ. 2002. Т. 43, № 1. С. 71-75.

Латыпов А. Ф. Оценка энергетической эффективности подвода тепла перед телом при полете с ускорением. Часть 1. Математическая модель // Теплофизика и аэро­механика, 2008. Т. 15, № 4. С. 573-584. Часть 2. Математическая модель разгонного участка траектории.

Результаты расчетов // Теплофизика и аэромеханика, 2009. Т.16, № 1. С. 1-12.

Латыпов А. Ф., Фомин В. М. Способ работы сверхзвукового пульсирующего прямоточного воздушно-реактивного двигателя и сверхзвуковой пульсирующий прямоточный воздушно-реактивный двигатель // Патент РФ № 2347098, 2009.

Сабельников А. В., Пензин В. И. К истории исследований в области высокоскоростных ПВРД в России. М.: ЦАГИ им. проф. Н. Е. Жуковского, 2008.

* Число Маха – отношение скорости потока воздуха к скорости звука

** Минимальная скорость, необходимая для вывода тела на орбиту Земли

*** Коэффициент дальности Бреге Br = VKI , где V – скорость полета, K – аэродинамическое качество, I – удельный импульс двигателя