Гиперзвуковая конверсия. Проект 12 Махового демонстратора в рамках программы HYFAC

Данный материал выкладывается на сайт из жж коллеги youroker-а.

Тема гиперзвука, конечно, в 60-ых годах была интересна далеко не только ЦРУ или военным. На поле присутствовал ещё один значительный игрок, способный взять на себя финансирование столь передового проекта — NASA. Переживавшее в середине 60-ых годов величайший подъём в своей истории, агентство имело и интерес, и достаточное количество средств для исследования гиперзвука. В 1965 и 1966 году NASA, имея информацию о работе над Isinglass, перетянуть под свое крыло этот проект, но столкнулось с сопротивлением ЦРУ. После некоторого угасания интереса разведчиков к гиперзвуку, в 1967 агентству удалось привлечь McDonnell Aircraft к совместной работе над теоретическими и практическими вопросами гиперзвукового полёта. В будущем предполагалось использовать полученные результаты для разработки гиперзвукового носителя для многоразовой космической системы и гиперзвукового атмосферного аппарата, способного выполнять практические задачи. Сочетание уникальных наработок McDonnell Aircraft и, конкретно группы Пола Чижа, с наработками NASA по двигателестроению и материаловедению должны были дать результат достаточно быстро.

В отличии от ЦРУ, которых интересовало лишь создание разведчика, немалую привлекательность для NASA имели и работы по проектированию аэродинамических труб со скоростями до 20М. Значительная часть совместной работы McDonnell и NASA была посвящена именно им, зачастую отводя сами гиперзвуковые аппараты на второй план. Вторым не менее важным компонентом стала разработка системы автоматического проектирования для расчёта технологических решений, используемых в летательных аппаратах. Разработанное программное обеспечение изначально было заточено под решение инженерных задач, связанных с гиперзвуком, но быстро было адаптировано и для других проектов и впоследствии послужило основой для более современных подобных программ. Работами по обоим направлениям руководил Пол Чиж, в 1968 году получивший повышение до заместителя руководителя совместных работ с NASA. В 1968 году эта программа сотрудничества получила общее наименование HYFAC — Hypersonic Research Facility Study.

Целью всех работ было не создание какого-то определённого гиперзвукового летательного аппарата, а комплексное исследование всех вопросов, связанных с гиперзвуком, а также проработка необходимой инфраструктуры для этих исследований и последующего создания работоспособных гиперзвуковых аппаратов. Венчаться вся программа должна была созданием двух типов гиперзвуковых исследовательских самолётов. Поскольку для NASA было важна именно исследовательская работа, уходить в запредельные скорости поначалу не стали. 28 Мах остались в пожеланиях ЦРУ, над которыми работа возможно продолжала идти лишь в фоновом сверхсекретном режиме. Для HYFAC же предполагалось создать "всего лишь" 6 Маховый самолёт на прямоточных двигателях и 12 Маховый на ракетных двигателях. Второй проект, именовавшийся очень просто "12 Маховый демонстратор" и станет темой нашего сегодняшнего разговора.

12 Маховый демонстратор В233 и его основные характеристики. Кликабельно.

Одной из самых первых проблем, что предстояло решить McDonnell, был не инженерный или научный вопрос, а возможность использования наработок по секретной программе Isinglass. Множество решений, применённых в Model 192, были бы очень кстати в новом проекте, но в ЦРУ крайне ревностно относились к использованию элементов профинансированных ими программ, тем более для "гражданского" NASA. Например, как упоминалось ранее, двигатель XLR-129 не удалось использовать в программе Space Shuttle именно из-за вопросов секретности. Тем не менее после недолгих переговоров, только что сформированный конгломерат McDonnell Douglas получил возможность применения значительной части решений по авионике и конструкции корпуса в новой программе. Можно предположить, что ЦРУ таким образом просто переложило финансирование долгих работ по гиперзвуку на плечи NASA, сохраняя лишь минимальное дополнительной финансирование от себя. К сожалению, подтвердить или опровергнуть документально эту гипотезу на текущем уровне раскрытия документов того периода нельзя. Благодаря доступу к технологиям Model 192 работа над 12 Маховым демонстратором началась не с нуля, а напрямую базировалась на некоторых проверенных решениях.

Проекции и разрезы 12 Махового демонстратора В233. Кликабельно.

В McDonnell предварительно исследовались несколько вариантов высокомахового демонстратора. Прорабатывались варианты с запуском с носителя и самостоятельным стартом, с использованием ракетных двигателей или двурежимных прямоточных двигателей. После ряда дополнительных исследований был подтверждён вывод, сделанный ещё в ходе работ над программой Isinglass — на данном этапе развития технологий наиболее разумным будет использование ракетных двигателей и воздушного старта. При наземном старте слишком много топлива тратится на взлёт, что приводит к недопустимому увеличению размера аппарата. Использование двухрежимных прямоточных двигателей представлялось выгоднее по топливу, но подобные двигатели еще даже не вошли стадию испытаний и маловероятно что пошли бы в серию в обозримом будущем. Основным стал вариант демонстратора В233 с ракетным двигателем и воздушным стартом. Кроме того, предполагалось разработать его беспилотный вариант В284.

Различные варианты исследовательских самолётов по программе HYFAC.

Работы по проектированию демонстратора В233 стартовали в начале 1968 года, и не удивительно что конструкция очень напоминала Model 192. Треугольный несущий фюзеляж ещё более вытянулся по продольной оси, придав корпусу более каплевидную форму. Крыло окончательно исчезло, а вместо него появились стабилизаторы для управления аппаратом в полёте. Сохранились отличительные для Model 192 небольшие кили, размещённые по бортам фюзеляжа в его задней части. Длина аппарата не сильно изменилась и составила 26,6 метров против 25 метров у Model 192. За счёт уменьшения ширины и плотности конструкции, а также уменьшения запасов топлива, максимальный вес упал с 54 тонн до 36,6. Немного изменилась внутренняя конструкция — отсек с полезным оборудованием частично переехал за кабину пилота немного потеряв в объёме. Сама кабина В233 имела выдвигающийся фонарь с куда лучшим обзором чем у предшественника, что позволяло пилоту осуществить посадку без внешней помощи.

Внутреннее устройство 12 Махового демонстратора В233. Кликабельно.

Претерпела изменения и двигательная установка. Поскольку достижение скоростей более 20 М не предполагалось, нужда в "монстрообразном" двигателе Pratt & Whitney XLR-129 отпала, и было решено использовать более экономичные, хоть и менее мощные двигатели. Рассматривалось два вариант — первый связка из пяти проверенных жидкостных водородно-кислородных ракетных двигателя Pratt & Whitney RL10A-3 с тягой 2,2 тс каждый. Альтернативным вариантом было использование одного двигателя Rocketdyne J-2S, проектируемого в тот момент для Space Shuttle, тягой в 13 тс. Несмотря на то, что J-2S уже был приспособлен для многоразовых полётов и имел большую мощность, было решено использовать RL10A-3. Двигатели Pratt & Whitney даже в связки из пяти были легче и требовали меньше топлива, немаловажно было и то, что RL10A-3 уже были освоены в производстве, в то время как J-2S ещё тестировался. С середины 1969 года по контракту NASA в Pratt & Whitney приступили к проектированию многоразового варианта RL10A-3, получившего наименование RL10A-3-9. Предполагалось, что испытания на стендах можно будет начать уже в 1971 году.

Аппарат В260 с двигателем Rocketdyne J-2S.

Особое внимание в конструкции В233 было уделено обеспечению структурной и тепловой устойчивости фюзеляжа и внешних деталей аппарата, благо в NASA имелся богатейший опыт работ над этими проблемами. Внешняя обшивка была выполнена из хромоникелевого сплава, дисперсионно-упроченного двуокисью тория, и титана. Наиболее нагреваемые элементы дополнительно покрывались ниобием (колумбием). Кроме этого внешняя обшивка была оснащена системой водяного охлаждения и тепловой изоляцией. Носовая деталь выполнялась из супер-сплавов и имела дополнительную систему охлаждения. В результате обшивка была способна выдерживать нагрев до 1200 градусов Цельсия в течении промежутка около минуты без нагрева алюминиевых топливных баков. Внутренняя конструкция аппарата выполнялась из сплавов алюминия и была максимально облегчена, поскольку в рамках испытательных полётов по прямой действительно серьезных нагрузок не предполагалось.

Материалы, используемые в обшивке В233.

Материалы, используемые в конструкции В233.

Ещё на раннем этапе проектирования было решено использовать для В233 схему полёта, схожую с Model 192, с запуском с самолёта-носителя. Правда в этот раз предполагалось использовать не бомбардировщик В-52, а транспортный С-5 Galaxy. Демонстратор размещался под крылом специально переоборудованного самолёта и запускался на высоте в 10 километров на скорости в 0.8 М. После этого используя все пять двигателей, демонстратор набирал высоту в 22 километра и скорость в 12 М, затем чего четыре двигателя, кроме центрального, выключались и на оставшемся поддерживался полёт на крейсерской скорости в течении 5 минут. По исчерпанию топлива аппарат сбрасывал скорость и переходил к планированию на точку посадки. Благодаря выдвижному фонарю кабины пилота посадка осуществлялась силами самого пилота с минимальной поддержкой от наземных структур. В первом полете, достижение скорости в 12 М не предусматривалось. Сначала демонстратор должен был выполнить серию полётов на скорости в 8 М с меньшим количеством топлива на борту. При полётах на скорости в 12 М посадка должна была осуществляться на авиабазу Эдвардс, при 12 М на авиабазу Холломэн. В обоих вариантах взлёт происходил с авиабазы Эглин.

Схема типичного испытательного полёта на 12 М.

Кроме обычного варианта испытаний В233 в McDonnell Douglas прорабатывались и другие миссии. Исследовались варианты с стартом по ракетному и достижения скорости в 7 М. Рассматривался вариант установки дополнительных реактивных двигателей, используемых для самостоятельного взлёта и посадки, без увеличения размеров как у демонстраторов В260 и В257. Из-за размещения топлива для турбореактивных двигателей время полёта на крейсерской скорости сокращалось до двух с половиной минут, но снижалась сложность системы и вероятность аварии при пуске. Кроме того, велась работа над наземным симулятором полёта и посадки на В233, для обучения пилотов достаточно сложному пилотированию гиперзвуковых аппаратов.

Наземный симулятор полёта и посадки на гиперзвуковых аппаратах.

Основной исследовательской миссией для В233 должно было стать изучение поведения летательных аппаратов на скоростях более 7 Мах в атмосфере. Для размещения исследовательской аппаратуры было выделено два отсека, ей общий вес должен был составить более 600 килограмм. Но кроме основной задачи стояло и множество дополнительных. Предполагалось провести исследования работы на высокой скорости новейших прямоточных и двурежимных прямоточных двигателей. Предусматривалось использования демонстратора для отработки основных узлов перспективной гиперзвуковой многоступенчатой космической системы. Кроме того, в McDonnell Douglas для прочих исследовательских задач был разработан дополнительный отделяемый отсек для различно аппаратуры весом до 700 килограмм. Проектировался под индексом В290 увеличенный вариант с 1,2 тонн исследовательского оборудованию и шестью двигателями RL10A-3-9. Отдельно прорабатывался беспилотный вариант В284. Из-за возможных сложностей при проведении испытаний во избежание потери дорого оборудования первые полёты должен был совершать пилотируемый вариант, в последствии решении части задач было возможно переложить на беспилотный вариант с большей полезной нагрузкой. Несмотря на широкий "простор" решаемых исследовательских задач в военной и гражданской практических сферах В233 был абсолютно бесполезен, потому никаких проектов его "не научного" применения не разрабатывалось.

Различные варианты дополнительного оснащения 12 Махового демонстратора В233.

К концу лета 1970 года программа HYFAC продвинулась достаточно далеко. Были полностью подготовлены проекты новых высокоскоростных аэродинамических труб, закончена работа над программным обеспечением. Программа была готова к переходу на стадию полноценного проектирования демонстраторов и инфраструктуры для них. Предполагалось что при выделении должного финансирования 6 Маховый демонстратор совершит полёт к 1974 году, а 12 Маховый к 1975 году. Стоимость всей программы с постройкой одного В233 составляла 351 миллион долларов, что хоть и было не сравнимо с Isinglass, но всё равно очень значительно. К тому моменту уже стало ясно, что NASA не способно профинансировать всю запланированную программу HYFAC, и необходимо уменьшать расходы. Было принято решение первый же демонстратор оснастить опытной установкой двухрежимных прямоточных двигателей, чтобы максимально ускорить переход на их использование вместо ракетных двигателей. Проект переделанного демонстратора получил наименование В293.

12 Маховый демонстратор В293, шестидвигательный вариант.

Работы продолжались с уже меньшим темпом, хоть новопостроенных аэродинамических трубах и McDonnell Douglas и NASA активно продувались как макеты аппаратов так и их отдельные части. Но после успеха лунной программы финансирование агентства начало неумолимо падать и скоро стало ясно, что в данный момент NASA не может позволить себе переход программы HYFAC от теоретических исследований к реализации в металле. Конечно это не устраивало McDonnell Douglas, поскольку подобная, не имеющая практической пользы, программа просто была не нужна корпорации, ибо сулила только убытки. В 1971 году было принято решение о сворачивании программы HYFAC, с сохранением сотрудничества в области гиперзвука. Ещё в 1972 году Пол Чиж берёт под управление группу перспективных концепций, для которой работа над гиперзвуком является лишь одно из вторичных задач.

Макеты 12 Махового демонстратора для продвуки в аэродинамической трубе.

Завершение программы HYFAC не означало завершение сотрудничества с NASA и тем более работ над гиперзвуком. Слишком много выгод сулила эта тема в случае успеха. Но финансирования сравнимого с программами Isinglass и HYFAC гиперзвук в McDonnell Douglas не увидит до середины 80-ых годов. Уже в 70-ых годах произойдёт отказ от ракетных двигателей в пользу прямоточных, но в основе конструкций новых гиперзвуковых аппаратов по-прежнему будут лежать решения, применённые в Model 192, В233 и В293. Многие элементы сохранятся и в громогласном проекте конца 80-ых, "Восточном экспрессе" Х-30. Но это уже совсем другая история.

Источники:
Hypersonic Research Facilities Study Volume I Summary.
Hypersonic Research Facilities Study Volume II Part 1 Phase I Preliminary Studies Research Requirements and Ground Facility Synthesis.
Scramjet Propulsion. E. T. Curran, S. N. B. Murthy.

источник: https://youroker.livejournal.com/92470.html