Антон Первушин. Х-15 на пороге космоса
Статья Антона Первушина с сайта WARSPOT от 08 июня 2019 года.
Содержание:
Шестьдесят лет назад, 8 июня 1959 года, свой первый самостоятельный полёт совершил ракетоплан Х-15. Начало его испытаний было связано с реализацией программы достижения космических высот и скоростей, которая открыла бы новые возможности для ВВС США, намеревавшихся покорить околоземные орбиты.
Обогнать звук
Американские военные всегда чутко относились к новым угрозам, которые могли бы представлять передовые технологии, внедряемые во враждебных странах. Поэтому, когда во время Второй мировой войны разведка из Европы стала доносить о появлении у гитлеровцев новых истребителей — реактивного Ме-262 и ракетного Ме-163, — в Минобороны США начали принимать соответствующие меры.
В декабре 1943 года на совместном заседании представители ВВС, ВМС и американской промышленности наметили программу исследований околозвуковых скоростей. Промышленность в то время была перегружена массовым производством боевых самолётов, и из многочисленных компаний только «Белл Эйркрафт» (Bell Aircraft Corp.) согласилась взяться за перспективный проект. 30 ноября 1944 года с ней было подписано соглашение о строительстве опытного летательного аппарата МХ-524 с ракетным двигателем на жидком топливе, впоследствии переименованного в МХ-1, затем — в ХS-1, а ещё позже — в Х-1 (Икс-1).
Основные технические параметры ракетоплана сформулировали специалисты Национального консультативного комитета по аэронавтике (National Advisory Committee for Aeronautics, NACA), а изготовление лётных экземпляров финансировали ВВС.
В конце 1944 года инженеры под руководством Роберта Вудса, главного конструктора фирмы «Белл Эйркрафт», приступила к проектированию Х-1. Для ускорения процесса они часто прибегали к материалам, собираемым американской разведкой по немецким перспективным самолётам. Интересно, что в качестве модели-прототипа выбрали полудюймовую пулю от пулемёта Браунинга, аэродинамические характеристики которой к тому времени были хорошо изучены.
В январе 1946 года полноразмерный образец Х-1 (XS-1 #1, X-1-1, №46-062) был построен. Согласно утверждённому плану, в начале испытаний крылатый аппарат без двигателя на скорости 240 км/ч отделялся от бомбардировщика-носителя В-29, после чего планировал и приземлялся на аэродром. Затем должны были последовать полёты с кислородно-спиртовым ракетным двигателем XLR-11, созданным специально для авиации.
9 декабря 1946 года испытатель Чалмерс Гудлин впервые совершил полёт на ракетоплане с включением двигателя; при этом использовался второй Х-1 (XS-1 #2, X-1-2, №46-063). Именно на нём пилот разогнался почти до скорости звука.
Исторический рекорд достался другому испытателю — Чарльзу Егеру. Тут сыграли роль личные качества: Гудлин потребовал за полёт с преодолением звукового «барьера» премиальную сумму в размере 150 000 долларов (1,68 млн долларов в современном эквиваленте!), а Егер считал, что совершить такой полёт само по себе почётно.
В августе 1947 года Егер начал летать на Х-1-1, которому присвоил имя Glamorous Glennis в честь жены. За два дня до решающего испытания лётчик упал с коня во время прогулки и сломал два ребра. Первую помощь ему оказал ветеринар из ближайшего посёлка. Егер боялся, что его отстранят от полёта, поэтому не сообщил о переломах начальству. Из-за нестерпимой боли он даже не смог без посторонней помощи закрыть люк ракетоплана, однако, превозмогая себя, успешно справился с заданием.
14 октября 1947 года Егер превысил на Х-1-1 скорость звука. Вот как он описывал свои ощущения в тот день:
«В глубинах моего разума таился страх. Я знал о нём и контролировал его. <…> Но полёт начался даже спокойнее, чем ожидали: до этого случались неприятности вроде возгорания хвоста самолёта, отказа пускателя и тому подобное. На этот раз всё прошло гладко: отцепка, запустился четырёхкамерный ракетный двигатель XLR-11. Когда началась знакомая тряска, я полностью сосредоточился на указателе числа Маха. Стрелка колебалась на величине 0,96 и неожиданно прыгнула на 1,06. Я решил, что это ошибка, вызванная ударными волнами. И вдруг всё стихло: ни вибрации, ни ударных волн — ничего. Я подумал: “Надо же! Эта проклятая штука не развалилась…” А на земле услышали первый искусственный “звуковой удар” и решили: что-то пошло не так. Но на самом деле всё получилось, как надо: я преодолел звуковой барьер».
Всего было построено три Х-1: №46-062, №46-063 и №46-064. Испытатели выполнили на них 157 полётов, большинство — с включением двигателя. Максимальная достигнутая высота полёта составила 21,9 км.
В 1949 году на основе результатов испытаний «Белл Эйркрафт» начала проектирование ракетоплана Х-2 (Икс-2) с целью исследований физических явлений на скоростях выше трёх звуковых. При этом предполагалось, что постепенно, по ходу модернизации, он сможет достигнуть высоты 60 км!
Два образца Х-2 (№46-674 и №46-675) были построены в 1952 году. Поскольку ракетоплан создавался для полётов на рекордно больших скоростях и высотах, его испытания требовали разработки безотказного способа катапультирования пилота в случае аварии. В своём выборе конструкторы остановились на варианте отделения от самолёта всей кабины. Кроме того, на Х-2 использовался новый кислородно-спиртовой двигатель XLR-25 с турбонасосной подачей топлива, а также оборудованием для запуска, выключения и регулирования тяги во время полёта. Ёмкость топливных баков обеспечивала работу двигателя продолжительностью от 2 до 6 минут.
Сначала, как и заведено, в июне 1952 года было выполнено несколько планирующих полётов на Х-2-2 (№46-675), отделяемом от приспособленного для этого бомбардировщика В-50А. Хорошо прошёл и первый полёт с пробным включением двигателя, но вторая попытка привела к катастрофе. 12 мая 1953 года во время совместного полёта, когда Х-2 ещё находился в бомбоотсеке носителя, где проводилось испытание системы аварийного слива топлива, произошёл взрыв — самолёт вспыхнул и загорелся. Погибли пилот-испытатель Джин Зиглер и пилот-наблюдатель Фрэнк Волко. Бомбардировщик сгорел в воздухе, но остальным членам его экипажа удалось спастись.
Катастрофа нанесла серьёзный удар по программе испытаний ракетопланов, и Х-2-1 (№46-674) довели до полной готовности лишь в 1955 году — его полёт с работающим двигателем состоялся в ноябре. Позже, 23 июля 1956 года, пилот Фрэнк Эверест достиг рекордной скорости в горизонтальном полёте 933 м/с, что близко к трём скоростям звука, а 7 сентября того же года его сослуживец Айвен Кинчлоу поднялся до рекордной высоты — 38,4 км.
Во время следующего вылета Х-2-1, который состоялся 27 сентября 1956 года, испытатель Милбурн Апт разогнался до скорости, в три раза превысившей скорость звука (этот рекорд был побит только в 1961 году), но ракетоплан потерял управляемость и разбился. Пилот катапультировался, но, вероятно, потерял сознание и не сумел покинуть отделившуюся кабину до того, как она ударилась о землю. Причины катастрофы не установлены до сих пор, хотя, скорее всего, она произошла из-за непредсказуемого аэродинамического воздействия на высоких скоростях: Х-2 оказался не готов к подобному полёту. Программу в итоге закрыли.
Рекордный Х-15
Несмотря на провал проекта Х-2, американские военные не оставили надежду заполучить в свои руки летательный аппарат, который мог бы разгоняться до космической скорости и подниматься на космическую высоту.
8 января 1952 года Роберт Вудс, главный конструктор ракетопланов Х-1 и Х-2, рекомендовал Национальному консультативному комитету по аэронавтике создать специальную рабочую группу, которая должна заниматься проблемами полётов на высотах, близким к космическим. К его словам прислушались, и в структуре NACA действительно была сформирована группа, прорабатывавшая различные концепции сверхвысотного пилотируемого самолёта, которые могли быть реализованы в течение двух лет.
К июлю 1953 года было предложено несколько вариантов аппарата, который теоретически мог совершить космический полёт. Один из них предусматривал создание модификации ракетоплана Х-2, способного «прыгнуть» на высоту 60 км, — с его помощью специалисты собирались получить надёжные данные о физических условиях атмосферы при её минимальной плотности. Вместе с тем, у ведущих инженеров проекта сложилось мнение о том, что «планку» проведения исследований можно ещё поднять: до высоты 100 км и скорости 3,3 км/с (то есть в 10 раз превышающей звуковую).
Новый толчок исследования в области практической космонавтики получили, когда проблемой всерьёз озаботились ВВС и ВМФ США. Разумеется, авиация и флот были заинтересованы в появлении серийных боевых аппаратов, но надо отдать должное американским военным: они прекрасно понимали, что без накопления научных данных такой аппарат построить невозможно.
Программа создания ракетоплана, способного превысить скорость звука в пять и более раз, стартовала 23 декабря 1954 года, когда представители ВВС, ВМС и NACA подписали меморандум о сотрудничестве, согласно которому создавался трёхсторонний координирующий орган, получивший название Комитет Икс-15 (X-15 Committee). При этом ВВС взяли на себя изготовление ракетоплана и проведение его приёмных испытаний на заводе. Затем ракетоплан передавался NACA, а тот запускал серию научно-исследовательских полётов с привлечением как своих испытателей, так и пилотов ВВС и ВМС. Впоследствии участники проекта рассказывали, что Комитет Икс-15 имел в большей степени политическое, чем практическое значение: когда в запросе на финансирование следовала ссылка на него, деньги тут же выделялись.
Исходный бюджет программы определили в 163 млн долларов. Среди двенадцати авиакомпаний был объявлен конкурс на создание гиперзвукового самолёта, а четыре моторостроительные фирмы получили предложение разработать проект ракетного двигателя для него. Победителем стала авиационная компания «Норт Америкэн Авиэйшн» (North American Aviation, NAA), и в ноябре 1955 года с ней был заключен контракт на производство трёх ракетопланов Х-15 (Икс-15). Через год определился и конструктор «мотора» — компания «Риэкшн Моторз» (Reaction Motors Inc.) подрядилась на производство ракетного двигателя XLR-99.
Если конструкторы Х-1, покорившего звуковой «барьер», взяли за основу аэродинамической концепции простую пулю, то к моменту начала работ над Х-15 необходимости в такой «имитации» не было — накопленных данных хватало для более сложных расчётов и выкладок.
Проект фирмы «Норт Америкэн Авиэйшн» предусматривал строительство ракетоплана с крыльями стреловидной формы. Длина Х-15 составила 15 м, масса — около 7 т, после заправки топливом (водно-спиртовая смесь и жидкий кислород) она увеличивалась до 16,5 т. Поскольку продолжительность работы двигателя не превышала двух минут, на «стартовую» высоту в 15 км ракетоплан собирались доставлять с помощью бомбардировщика В-52. Два таких носителя (NB-52A и NB-52B) были модифицированы для подвески Х-15 под правой консолью крыла — между фюзеляжем и ближней парой двигателей. В проекте предполагалось, что ракетоплан сможет разогнаться до скорости 2 км/с и подниматься до высоты в 76 км. В действительности Х-15 сумел намного больше.
При разработке Х-15 перед специалистами возникла проблема, связанная с тем, что в полёте разные части самолёта одновременно будут находиться в условиях крайне высоких и крайне низких температур (от +650 до −185°С). Такой перепад способны выдержать только никелевые сплавы. Технологам пришлось применить сварку в непривычных масштабах: если обычный самолёт того времени почти целиком имел клёпаную конструкцию, то у Х-15 на клёпку приходилась лишь треть производства, а остальную часть ракетоплана изготавливали как сварную. Другой особенностью стала система управления полётом по баллистической траектории в безвоздушном пространстве, которая представляла собой комплект газовых сопел на перекиси водорода, установленных в носовой части ракетоплана и на концах крыла.
Для будущих пилотов Х-15 был разработан полностью герметизированный скафандр — лёгкий и без жёстких сочленений. Значительные исследования были проведены при разработке системы аварийного спасения: рассмотрев разнообразные варианты, конструкторы остановились на открытом катапультном кресле с теплозащитной оболочкой поверх скафандра пилота. Разработка кресла завершилась испытаниями с использованием манекенов на скоростных ракетных салазках — они продемонстрировали успешное катапультирование лётчика и аэродинамическую устойчивость кресла при сверхзвуковых скоростях.
Для испытаний Х-15 был определён воздушный коридор протяжённостью 780 км и шириной 80 км. Он проходил над пустынной и гористой местностью между авиабазами Уэндовер (штат Юта) и Эдвардс (штат Калифорния). Самолёт-носитель NB-52 должен был взлетать с авиабазы Эдвардс и набирать высоту 13,7 км в зоне старта, которая назначалась над одним из высохших озёр Невады и Калифорнии. Начальную точку полёта с включённым двигателем выбирали в зависимости от задания и расчётной дальности испытания. После отцепки Х-15 пилот ракетоплана запускал двигатель, который разгонял аппарат до необходимой скорости. Если двигатель не мог включиться, выполнялась планирующая посадка на заранее выбранную ровную поверхность в районе отцепки. При нормальном запуске двигателя Х-15 должен был подниматься по баллистической траектории в верхние слои атмосферы, а затем планировать и совершать посадку на поверхность высохшего озера. Для контроля траектории ракетоплана на трассе полета было развёрнуто радиолокационное и телеметрическое оборудование.
Первый Х-15 (X-15-1, №56-6670) был построен в середине октября 1958 года и с завода доставлен на авиабазу Эдвардс. Перевозка готового аппарата сопровождалась рекламной кампанией в средствах массовой информации. Программа Х-15 привлекла общественное внимание, прежде всего, потому, что Советский Союз выигрывал космическую «гонку», и многие американцы верили, что испытания ракетоплана станут достойным ответом на «гегемонию красных». Второй экземпляр Х-15 (X-15-2, X-15A-2, №56-6671) был выпущен к апрелю 1959 года, а третий (X-15-3, №56-6672) — к июню 1961 года.
Нужно отметить, что как раз в то время, 1 октября 1958 года, NACA был преобразован в более мощную организацию — Национальное управление по аэронавтике и космосу (National Aeronautical and Space Administration, NASA). К нему переходила и вся программа разработки Х-15. Таким образом, авиационный проект по факту стал космическим, а пилоты-испытатели получили статус астронавтов. Впрочем, их и ранее готовили, как астронавтов. Всего в программе испытаний Х-15 участвовало двенадцать пилотов: Скотт Кроссфилд, Джозеф Уолкер, Роберт Уайт, Форрест Петерсен, Джон Маккей, Роберт Рашуорт, Нейл Армстронг, Джозеф Энгл, Уильям Найт, Уильям Дейна, Майкл Адамс и Милтон Томпсон. Многие из них впоследствии успешно работали и по другим программам. Все эти люди отличались особым обаянием, прочно соединённым с фанатичной целеустремлённостью.
В ходе подготовки будущие пилоты Х-15 должны были выполнить две тысячи «полётов» на тренажёре, пройти испытания на центрифуге, в термокамерах и барокамерах, а также опробовать состояние кратковременной невесомости в специально оборудованном транспортном самолёте.
Первый свободный полёт Х-15-1 состоялся 8 июня 1959 года. Ракетоплан под управлением Скотта Кроссфилда отделился от носителя на скорости 840 км/ч. Ракетный двигатель не включался, однако даже при этом машина плохо слушалась пилота, совершив несколько неожиданных разворотов. Лишь мастерство испытателя позволило ему сохранить управление, и через пять минут после отделения Кроссфилд благополучно приземлился на дно высохшего озера, расположенного на территории авиабазы Эдвардс.
Инженеры учли проявившиеся проблемы и внесли изменения в систему управления, что сделало дальнейшие испытания более уверенными. Второй свободный полёт был выполнен 17 сентября на Х-15-2, и теперь Кроссфилд на короткое время включил двигатель, развив скорость 667 м/с, что в два раза превышает скорость звука.
Начальный этап испытаний продолжался с 1959 по 1962 год. Фактически уже тогда удалось решить все задачи, которые ставили перед собой организаторы проекта. Была достигнута скорость около 2000 м/с и высота 75,2 км; удалось получить колоссальный объём научной информации по тепловым процессам и сверхзвуковой аэродинамике.
К сожалению, не обошлось без аварий. 5 ноября 1959 года, во время третьего полёта Х-15-2, одна из камер двигателя взорвалась. Скотт Кроссфилд совершил вынужденную посадку на дно высохшего озера — при этом было повреждено хвостовое оперение, и ракетоплан вышел из строя на три месяца.
Из-за нерасчётных тепловых напряжений при полётах на максимальную скорость 11 октября и 9 ноября 1961 года у Роберта Уайта на той же машине лопались внешние панели остекления кабины. Тепловое взаимодействие горячих вихрей на передней кромке крыла приводило к деформации обшивки.
Подобные проблемы возникали и в дальнейшем, но, используя полученный опыт, другие пилоты отрабатывали нештатные ситуации на тренажёре.
Всё выше и выше
В 1962 году «Норт Америкэн Авиэйшн» получила заказ на доработку некоторых бортовых систем ракетоплана для решения новых задач, а Комитет Икс-15 подготовил программу второго этапа испытаний на период с 1963 по 1967 год. Помимо сбора научной информации, она предусматривал достижение скорости в семь звуковых (2320 м/с), высоты 80 км, а также изучение теплозащитных материалов и запуск с борта Х-15 небольшого искусственного спутника Земли.
С целью решения этих задач изменили схему полёта: ракетный двигатель запускался сразу после отделения от носителя и разгонял ракетоплан до скорости около 1600 м/с; затем наступал период невесомости, когда самолёт по инерции двигался к верхней точке траектории; после этого ракетоплан возвращался в атмосферу, а пилот должен был удерживать его строго по заданному курсу планирования.
Новый уровень высоты 76 км был достигнут Джозефом Уолкером 30 апреля 1962 года на Х-15-1. Поскольку это был не предел, исследователи составили дополнительную программу, которая предусматривала «прыжки» ракетопланов до границы космического пространства.
Хотя время, проведённое в пике траектории, исчислялось всего лишь десятками секунд, пилотов, преодолевших этот условный барьер, сразу записывали в число людей, совершивших космический полёт. Дело в том, что когда 17 июля 1962 года Роберт Уайт на Х-15-3 впервые забрался на высоту более 80 км (если быть совсем точным — 95 940 м), количество космических полётов можно было пересчитать по пальцам, и вполне ожидаемо американцы пытались обойти СССР если не в качественном, то в количественном отношении. Впрочем, вне США «прыжки» Х-15 никто так и не признал космическими.
На новом этапе случались и чрезвычайные происшествия. Например, 10 января 1962 года Форрест Петерсен совершил аварийную посадку на озеро Мад, поскольку у Х-15-1 не включился двигатель. 9 ноября 1962 года по схожей причине там же пришлось приземлиться Джону Маккею, причём у его Х-15-2 подломилось шасси — ракетоплан перевернулся и частично разрушился. 20 апреля 1962 года ракетоплан Х-15-3 под управлением Нейла Армстронга при возвращении «отрикошетил» от плотных слоёв атмосферы и перелетел территорию базы Эдвардс на 30 км; пилот сумел развернуться и посадить машину в южной части сухого озера, совершив рекордный по длительности полёт на Х-15 — 12 минут 28 секунд.
Неоднократно отказывали вспомогательные силовые установки. Так, 29 июня 1967 года на Х-15-1 Уильяма Найта из-за такого сбоя отключилось всё бортовое оборудование — авария должна была закончиться потерей ракетоплана, если бы не виртуозное мастерство пилота, который смог благополучно его посадить. 3 октября того же года (при проверке характеристик обтекания новых элементов конструкции на скорости 1900 м/с) Х-15-2, пилотируемый Найтом, чуть не разрушился от аэродинамического нагрева. Позднее Милтон Томпсон писал по этому поводу:
«При наборе высоких скоростей физически ощущаешь, как нагревается корпус самолёта и его начинает трясти, потому что металл коробится, а иногда в кабине появляются клубы дыма. А ты сидишь и не знаешь, что происходит. Лётчикам-испытателям вроде бы не пристало говорить, что они боятся. Но я, скажем так, всё время нервничал».
Несмотря на проблемы, ракетопланы устанавливали один рекорд за другим. 22 августа 1963 года Джозеф Уолкер на Х-15-3 «взял» высоту 107,96 км. 3 октября 1967 года Уильям Найт преодолел на Х-15-2 скоростной рубеж в 7273 км/ч (2,02 км/с) — до настоящего времени в авиации этот рекорд не побит, хотя Международная авиационная федерация (FAI) его не зарегистрировала, поскольку ракетопланы взлетали не самостоятельно, а сбрасывались с носителя.
Второй этап программы закончился трагически. 15 ноября 1967 года в ходе полёта Х-15-3 погиб пилот Майкл Адамс. Почему произошла катастрофа, в точности не установлено, так как вся телеметрическая информация погибла вместе с ракетопланом. Известно только, что ещё при наборе высоты сбоило оборудование, и то, что видел пилот на индикаторах, не соответствовало реальности. Газетчики, которые после подробного освещения первых полётов на долгие годы практически забыли о существовании Х-15, теперь единодушно ополчились на руководителей программы за «безмерный риск», которому они подвергают пилотов.
Так или иначе, в 1968 году судьба программы была поставлена на карту. Именно тогда начался и тут же закончился третий этап испытаний. Было совершено ещё восемь свободных полётов, но рекордные результаты предшественников превзойти не удалось.
12 декабря NВ-52 взлетел с аэродрома, готовясь отправить Х-15-1 в 200-й свободный полёт (по общему счёту), но проблемы с системой наведения заставили носитель вернуться на базу. Финансирование на 1969 год выделено не было, и руководству пришлось объявить о завершении программы.
Результаты испытаний Х-15 оказались в тени реализации проектов пилотируемых космических кораблей Mercury, Gemini и Apollo, не получив должного освещения в средствах массовой информации. Тем не менее, они очень многое дали американским конструкторам ракетной техники для разработки технологий, которые использовались в 70-х годах при проектировании системы Space Shuttle и различных гиперзвуковых аппаратов.
Участие в программе Х-15 открыло перед лётчиками-испытателями блестящие перспективы. Нейл Армстронг, пилотировавший ракетопланы Х-1 и Х-15, впоследствии летал на орбитальном корабле Gemini VIII, совершив первую в истории стыковку, а затем в качестве командира экспедиции Apollo 11 первым ступил на Луну. Стал астронавтом и Джозеф Энгл, участвовавший в миссиях шаттлов Columbia и Discovery.
Источники и литература
- Афанасьев И., Воронцов Д. Золотой век космонавтики: мечты и реальность. – М.: Фонд «Русские Витязи», 2015
- Железняков А. Секреты американской космонавтики. – М.: Эксмо, 2012
- Лукашевич В., Афанасьев И. Космические крылья. – М.: ООО «ЛенТа Странствий», 2009
- Мировая пилотируемая космонавтика. История. Техника. Люди. / Под ред. Ю. Батурина. – М.: Изд-во «РТСофт», 2005
- Нестеренко Г. Космическая авиация. – М.: Воениздат, 1969
- Шумилин А. Авиационно-космические системы США. История, современность, перспективы. – М.: Вече, 2005
- Jenkins О. Hypersonics Before the Shuttle: А Concise History of the Х-15 Research Airplane. NASA SP-2000-4518, 2000
- Stillwell W. X-15: Research Results. With a Selected Bibliography. NASA SP-60, 1965