Советская копия шаттла — многоразовая космическая система с орбитальным самолетом ОС-120

В то время как Америка выиграла "лунную" гонку и начинала работы над многоразовым челноком, СССР в глубокой тайне от собственного населения все еще продолжал в ней участвовать, безуспешно пытаясь научить летать нашу ракету-носитель Н1 ("Наука-1"), призванную доставить советского человека на поверхность Луны.

Новый американский проект сразу же привлек пристальное внимание отечественных специалистов. Анализ возможных концепций транспортных кораблей многоразового использования в нашей стране проводился в рамках проекта постановления ЦК КПСС и Совета Министров СССР N ВП 13/1064 "О плане работ по развитию ракетно-космической техники на 1971-1975 годы", подписанном Л.В.Смирновым, А.А.Гречко, М.В.Келдышем, С.А.Афанасьевым и представленном в ЦК КПСС 27 ноября 1970 года.

Заметим, что в начале 1970-х гг. СССР не выражал особого желания создавать собственную многоразовую космическую систему (МКС). В отличие от США, выигравших лунную гонку и решавших вопрос "Чем занять производственные мощности аэрокосмической промышленности?", наши головные министерства по космической и авиационной технике — Министерство общего машиностроения (МОМ) и Министерство авиационной промышленности (МАП) были загружены работой сверх меры.

В МОМе широким фронтом велись работы по созданию лунного экспедиционного комплекса Н1-Л3 (к началу 1972 г. было проведено два аварийных пуска РН), осуществлялась программа полетов пилотируемых орбитальных станций ДОС (долговременная орбитальная станция), успешно продвигалась программа освоения Луны автоматическими аппаратами серии Е-5 (луноходы, средства доставки лунного грунта на Землю), велась разработка космических аппаратов для исследования Венеры и Марса, разрабатывались космические фоторазведчики нового поколения "Янтарь", связные и навигационные ИСЗ и т.д.

Также был перегружен и МАП, в котором велась разработка дальнего ударного самолета Т-4, сверхзвукового пассажирского самолета Ту-144, стратегического бомбардировщика Ту-160, аэробуса Ил-86, новых истребителей-перехватчиков и штурмовиков. Особенно тяжелое положение в МАПе сложилось с производством авиационных и ракетных двигателей — не хватало производственных мощностей для изготовления ЖРД для носителя Н1, первых ступеней РН УР-500К и Р-7А. ОКБ-52 Челомея, также входившее в МАП, было перегружено работами по военным ОПС (обитаемым пилотируемым станциям) "Алмаз" и военным спутникам. Кроме всего сказанного, все интеллектуальные и производственные мощности обоих министерств вели напряженную борьбу за военно-стратегический паритет с США в ракетной сфере, который и был достигнут во второй половине 1970-х годов.

Тем не менее, несмотря на большую загруженность текущей тематикой, наши ведущие НИИ в МОМ, МАП и Министерства обороны (МО) внимательно отслеживали ведущиеся в США работы по МКС. Проведенные в рабочем порядке проработки показали, что такая система существенно проигрывает по экономичности выведения полезных грузов на орбиту обычным одноразовым ракетам-носителям и не дает особых преимуществ в военном отношении. Более того, надежность многоразовых комплексов с ростом количества проведенных пусков снижается, в то время как у одноразовых ракет-носителей увеличивается. Высказывались даже мнения о том, что это масштабная дезинформация или очередной блеф с целью втягивая СССР в новый виток космического противостояния и/или гонкивооружений с последующим экономическим истощением нашей страны.

В марте 1972 г., всего через месяц  после принятия решения Президента США о начале широкомасштабных работ по системе Space Shuttle, в Комиссии Президиума Совета Министров СССР по военно-промышленным вопросам (ВПК) состоялось первое "официальное" рассмотрение вопросов многоразовой космической системы.

На заседании ВПК были заслушаны доклады головного в ракетно-космической промышленности Центрального НИИ машиностроения (ЦНИИмаш) МОМ, НИИ-4 (в 1982 г. "космический" филиал этого НИИ был преобразован в 50 ЦНИИ космических сил) и 30 ЦНИИ МО, а также Главного управления космических средств (ГУКОС) и ВВС. Единого мнения на проблему создания МКС достигнуто не было, поэтому решено было продолжить исследования и подготовить проект решения ВПК, которое вышло 17 апреля 1972 года за N86. С этого момента вопросы создания МКС были под постоянным вниманием ЦК КПСС и ВПК, в которых в течение 1972-1973 годов было проведено 15 совещаний.

В конце апреля 1972 г. в ЦНИИмаш состоялось расширенное обсуждение этой проблемы с участием главных конструкторов и руководства Минобщемаша. После докладов головных институтов (ЦНИИмаш и 50 ЦНИИ) на совещании выступили главные конструктора В.П.Мишин, В.Н.Челомей и В.П.Глушко. Общие выводы сводились к следующему:

Первые правительственные решения и конструкторские проработки отечественной МКС

В апреле 1973 г. в ВПК с привлечением головных иснститутов (ЦНИИМАШ, НИИТП, ЦАГИ, 50 ЦНИИ, 30 ЦНИИ) был разработан и разослан на рассмотрение и согласование в МОМ, МАП и МО СССР и ряд других смежных министерств проект Решения ВПК по проблемам, связанным с созданием МКС. Проектом Решения предусматривалось:

• — определить МОМ головным по МКС в целом;

• — определиться с весом полезного груза, выводимого на орбиту и возвращаемого обратно на Землю, и соответственно, с габаритами грузового отсека и стартовой массой ОК и МКС в целом;

• — проработать возможные задачи, решаемые МКС в интересах МО СССР и Академии наук;

• — определить круг научно-технических проблем, которые будет необходимо решить при создании МКС (создание новых теплозащитных материалов, новых высокопрочных конструкционных материалов, двигательных установок, систем управления полетом, приводом и аэродромной посадкой на ВПП).

Также поручалось проработать вопросы, связанные с развитием производственной и экспериментальной базы.

После согласования Решение ВПК "О разработке технических предложений по многоразовой космической транспортной системе" наконец было выпущего 27 декабря 1973 г. за N298. Это было первое Правительственное решение по МКС (а всего по тематике МКС в ВПК прошло более 100 совещаний), предписывающее разработать технические предложения по МКС в трех вариантах — ЦКБЭМ на базе лунной ракеты Н1, ЦКБМ на базе РН "Протон", ОКБ Микояна — на базе "Спирали" и того же "Протона". Решением устанавливался и срок окончания работ — 1-е полугодие 1974 года.

Глава ЦКБМ В.Н.Челомей, используя собственную готовую серийную ракету-носитель — "Протон" — предложил проект легкого космического самолета.

Работы по "Спирали" не пользовались поддержкой первых лиц государства (в первую очередь маршалов А.Гречко и Д.Устинова), и были свернуты во второй половине 1970-х гг. Такая же участь постигла после четверной аварии подряд и ракету Н1, что коренным образом сказалось не только на судьбе ЦКБЭМ, но и на облике МКС. Неудачи с Н1 послужили формальным поводом для снятия Василия Мишина и формирования НПО "Энергия", которое в мае 1974 г. возглавил Валентин Глушко.

В правительственном Постановлении N П137/VII от 17 мая помимо организационных вопросов содержался пункт, обязывающий "…министра С.А.Афанасьева и В.П.Глушко подготовить в 4-х месячный срок предложения о плане дальнейших работ". Что и было сделано в рамках представленной в середине 1975 г. "Комплексной ракетно-космической программы".

После многодневного обсуждения программы Совместный научно-технический совет МОМ и МО настоял на смене приоритетов в интересах ГУКОСа, выдвинув на первый план необходимость более подробного рассмотрения вопросов создания МКС типа Space Shuttle, и в первую очередь — доработки "Комплексной ракетно-космической программы" в части более детальной проработки МКС. Так во второй половине 1975 г. в проекте программы появился новый том — 1Б "Технические предложения", в котором были приведены состав, назначение и основные характеристики МКС "Буран" с крылатым 120-тонным орбитальным самолетом, получившим индекс "ОС-120".

В этом же томе с участием МОМ, Министерства авиационной промышленности (МАП), МО и АН СССР был сделан окончательный выбор размерности ОК в пользу тяжелого корабля. Это обосновывалось тем, что, во-первых, научные и технические проблемы, решаемые при создании "большого" и "малого" ОК — похожи (создание новых конструкционных и теплозащитных материалов, обеспечение аэродромной посадки, освоение жидкого водорода в качестве высокоэффективного горючего и т.д.) и время для их решения потребуется одинаковое, а во-вторых — система по своим параметрам не должна уступать американскому шаттлу.

Советский аналог шаттла — МКС с орбитальным самолетом (кораблем) ОС-120

Конечно, нашим конструкторам при выборе концепции МКС было гораздо проще: в то время как в США только группа Максима Фаже в техническом директоратеMSC (NASA) за два года (1970-72 гг.) детально проанализировала 60 (!) принципиально различных компоновок "космического челнока", в НПО "Энергия" сразу взяли за основу итоговую компоновку Space Shuttle. Другими словами, американцы сэкономили нам два года поисков, уведя в конце концов за собой по неоптимальному "полумногоразовому" пути.

По проекту МКС с орбитальным кораблем ОС-120 очень напоминала американскую систему Space Shuttle с той лишь разницей, что вместо двух ТТУ, выполнявших на шаттле роль первой ступени, мы предложили четыре унифицированных жидкостных ракетных блока, работающих на освоенном топливе керосин (РГ-1) — жидкий кислород. Этот выбор основывался на реальном учете состояния твердотопливного двигателестроения в нашей стране, а также на стремлении получить большую энерговесовую отдачу I ступени для компенсации потерь в массе полезного груза из-за более высокой, по сравнению с американской, географической широты старта. Кроме того, при этом принималась во внимание возможность получения меньшей конечной массы блоков I ступени, что упрощало проблемы их спасения при возвращении на твердый грунт для многоразового использования.

Первый вариант нашей МКС "Буран" имел стартовую массу 2380 т и состоял из четырех модульных блоков "А" I ступени, оснащенных перспективным ЖДР РД-123 с тягой на уровне моря 600 тс, сгруппированных вокруг подвесного топливного отсека, который вместе с орбитальным самолетом ОС-120 образовывал вторую ступень системы выведения. Модульные блоки первой ступени предполагалось спасать для повторного использования. Одноразовым элементом системы являлся только топливный отсек второй ступени, который имел аналогичную Space Shuttle компоновку: в верхней части размещался бак с окислителем, в нижней — бак с горючим (жидкий водород). Баки не имели общей теплоизолированной стенки и разделялись силовым межбаковым отсеком, внутри которого размещались аппаратура бортовых систем, а к наружнему силовому поясу-шпангоуту через верхние силовые узлы крепились боковые блоки I ступени.

Уровень советских производственных технологий наложил свой отпечаток — наша МКС получилась тяжелее шаттла. Подвесной топливный отсек II ступени, при массе заправляемого топлива примерно равной массе топлива системы Space Shuttle, был принят в проекте с худшими массовыми характеристиками, что было связано с отставанием от американского уровня как по механическим конструкционным материалам, так и по технологии изготовления крупногабаритных баковых систем. Указанные особенности также делали целесообразным применение на I ступени жидкостных ракетных блоков с повышенными, по сравнению с твердотопливными, энергетическими возможностями.

Орбитальный самолет по аналогии с Space Shuttle представлял собой многоразовый космический аппарат самолетного типа, что обеспечивало ему широкие возможности для бокового маневра при спуске и горизонтальную посадку на специальную посадочную полосу. Отметим, что по воспоминаниям проектировщиков, орбитальный самолет ОС-120 разрабатывался в спешке, без глубокой проработки конструкции и условий применения, и являлся формальным, "на скорую руку", ответом на возникший интерес заказчика.

ОС-120 должен был иметь три перспективных многоразовых кислородно-водородных ЖРД 11Д122 (разработки КБХА) тягой по 250 тс c удельным импульсом 353 сек на земле и 455 сек в вакууме. Размещение маршевых ЖРД на ОК имело целью обеспечить их многократное использование и сократить стоимость эксплуатации системы, однако при этом была невозможна автономная отработка системы выведения и затруднена автономная летная отработка и транспортировкаорбитального самолета.

Советский аналог орбитальной ступени Space Shuttle  — вариант "ОС-120" получался тяжелее (полная стартовая масса 155,35 т, масса на орбите ИСЗ 120 т включала 30 т полезного груза, посадочная — 89 т) за счет применения на пилонах в хвостовой части двух РДТТ системы аварийного спасения, предназначенных для экстренного отделения ОК от топливного отсека при возникновении аварийной ситуации на участке выведения. Все другие главные проектно-конструкторские решения были скопированы с шаттла, вплоть до размещения кормовых блоков двигателей ориентации и орбитального маневрирования вместе со всей арматурой и запасами топлива в двух хвостовых мотогондолах, выступающих за внешние обводы фюзеляжа.

ОС-120 выглядел "грузно и тяжело", в первую очередь за счет сглаженной "квадратности" поперечных сечений фюзеляжа. Из-за массивных угловатых форм он был лишен той утонченности и изящества, свойственных гиперзвуковым крылатым аппаратам. Недостаточная проработанность аэродинамики, выразившаяся в наличии больших плоских поверхностей и рубленных форм, несла на себе "родовые черты" ракетостроительной фирмы, имевшей богатый опыт проектирования спускаемых аппаратов с малым аэродинамическим качеством.Аэродинамическая компоновка орбитального самолета ОС-120:

1 — носовой блок импульсных двигателей реактивной системы управления; 2 — передние иллюминаторы пилотской кабины; 3 — верхние иллюминаторы констроля стыковки (2 шт.); 4 — подвижные створки грузового отсека (8 шт.); 5 — сопло маршевого кислородно-водородного ЖРД 11Д122 (3 шт.); 6 — люки системы наддува и вентиляции планера (по 6 шт. с каждого борта); 7 — теплозащитные секции передней кромки крыла; 8 — двухсекционные элевоны; 9 — выхлопной патрубок вспомогательной силовой установки; 10 — левая хвостовая мотогондола; 11 — правая хвостовая мотогондола; 12 — хвостовые блоки импульсных двигателей реактивной системы управления в правой и левой мотогондолах; 13 — двигатель орбитального маневрирования (2 шт, в правой и левой мотогондолах); 14 — балансировочный щиток; 15 — корпус сбрасываемого РДТТ системы аварийного спасения (САС); 16 — контейнер тормозного парашюта в основании киля; 17 — сопло РДТТ САС; 18 — киль; 19 — двухсекционный руль направления

Аэродинамика советского шаттла была исправлена (как говорят специалисты, "вылизана") только после 1976 г., уже на орбитальном корабле  "Буран" (11Ф35), когда к проектированию подключилась авиационная фирма — НПО "Молния".

Согласно оценкам, стоимость создания МКС с кораблем ОС-120 была близка к объявленной стоимости разработки шаттла, однако при расчетах не учитывались затраты на разработку самолета-носителя Ан-124 и посадочных комплексов нового корабля.

При разработке первого варианта МКС были выявлены некоторые особенности и трудности в реализации проекта, связанные с недостаточным опытом создания элементов авиационно-космических систем, производственно-технологическими возможностями промышленных предприятий и испытательно-отработочной базы. Проектировщики предполагали, что не только сам корабль ОС-120 будет похож на шаттл, но и технология его транспортировки и методика проведения начального этапа летной отработки (в частности, атмосферные полеты) будут повторять американские. В начале наших работ по МКС ситуация была далеко не блестящей. Вот как через 13 лет о состоянии дел в нашей ракетно-космической отрасли напишет Игорь Садовский, первый Главный конструктор МКС:

"На период 1974-1977 гг. наше отставание от США оценивалось в 15 лет. Оно выражалось в отсутствии у нас стендов, заводов и опыта работы с большими массами жидкого водорода, опыта работы по многоразовым ЖРД, необходимой (по мнению начальника ЦАГИ Г.П.Свищёва) аэродинамической базы, опыта по крылатым КА, не говоря уже об отсутствии такого аналога, как Х-15 в США, опыта авиационных транспортировок, да и отсутствия самолетов класса "Боинг-747".

 МКС с кораблем ОС-120 при равенстве с шаттлом по выводимой на орбиту массе полезного груза имела лучшие энергетические возможности, обусловленные разной широтой старта. Действительно, расчетная масса полезного груза, выводимая ОС-120 с Байконура, составляет 30 т для круговой орбиты высотой 200 км и наклонением i = 50,7º. Система Space Shuttle, стартуя с мыса Канаверал, выводит 29,5 т на круговую орбиту высотой 185 км с наклонением i = 28,5º. Благодаря большей близости к экватору при запуске в восточном направлении шаттл получает дополнительный прирост орбитальной скорости за счет собственного вращения Земли. Если принять условия пусков ОС-120 и шаттла одинаковыми (равные наклонения, широта старта и высоты круговой орбиты), то наша система была способна вывести больший полезный груз, чем шаттл:

— на ~ 5,4 т (или на ~ 18%) при наклонении i = 28,5º,

— на ~ 3,5 т (или на ~ 12%) при наклонении i = 90º-97º.

Таким образом, вариант МКС с кораблем ОС-120 не уступал американской системе Space Shuttle по своим основным летно-техническим характеристикам и удовлетворял требованиям, которые определились в ходе исследований, проведенных в организациях МОМа и МО СССР. Одновременно с этим он имел резервы для повышения весового совершенства и эффективности. В частности, улучшение конструкции, применение более совершенных конструкционных и теплозащитных материалов с использованием прогрессивной технологии должны были улучшить массовые характеристики кислородно-водородного топливного отсека.

В то же время, являясь фактической копией шаттла, ОС-120 унаследовал и все его основные недостатки:

— сложность автономной летной отработки системы выведения без II ступени и необходимость проведения испытательных пусков только совместно с дорогостоящим ОК. Более того, за плечами проектировщиков ОС-120 был печальный опыт неудачных пусков Н1 совместно с лунным экспедиционным комплексом, который так и не удалось вывести на орбиту из-за четырех аварий РН;

— большой объем доработок системы выведения МКС в случае необходимости создания в СССР самостоятельного тяжелого носителя для решения в космосе специальных военных и научных (в том числе лунных) задач;

— необходимость передачи тягового усилия от маршевых ЖРД дополнительно нагружает фюзеляж ОК, что увеличивает его массу и массу всего корабля в целом;

— расположение крупногабаритных ЖРД в хвостовой части корабля "портит" аэродинамику, увеличивая донное сопротивление и снижая аэродинамическое качество;

— наличие крупных масс в хвосте обуславливает заднюю центровку пустого корабля, что существенно снижает эксплуатационные диапазоны центровок полезных грузов, размещаемых в грузовом отсеке. Этим отчасти и объясняется тот факт, что за все время эксплуатации шаттлов ни в одном из более чем сотни полетов[2] ни разушаттл не доставил на орбиту груз, близкий к максимальной грузоподъемности корабля. Причина в том, что слишком сложно разработать единую или составную полезную нагрузку общей массой 25-29 т с условием, чтобы ее центр масс лежал в таком узком диапазоне корабельных координат. Причем теоретически вывести такой груз на орбиту в штатном полете Space Shuttle может, но критическим является аварийный случай, когда при возникновении нештатной ситуации во время старта необходимо реализовать маневр возврата с полной загрузкой для посадки на ВПП в районе стартового комплекса. В такой ситуации, когда нет возможности избавится от полезного груза перед посадкой, его вес и положение центра масс, обуславливающие общую центровку корабля, становятся определяющими;

— значительные размеры и масса ОС-120, связанные с установкой на нем ракетных двигателей II ступени, что приводит к необходимости использования при его транспортировке (перебазировании) тяжелого транспортного самолета-носителя с грузоподъемностью порядка 100 т. В то время ОКБ Олега Антонова в Киеве еще только приступило к проектным проработкам тяжелого транспортного самолета Ан-124, и было совершенно очевидно, что его создание потребует времени, превосходящего требуемые сроки. Так и вышло — свой первый полет опытный образец "Руслана" совершил только 21 декабря 1982 г., а к эксплуатационным полетам он был готов еще спустя несколько лет, в то время как отработку ОС-120 планировалось начать уже в 1981 году. Но даже наличие самолета-носителя требуемой грузоподъемности не решало проблему летной отработки ОС-120 на околозвуковых и сверхзвуковых скоростях;

— МКС имела минимальную тяговооруженность 1,25, что не позволяло при ухудшении конструктивного совершенства системы выведения компенсировать потери полезного груза за счет увеличения стартовой массы МКС (долива топлива в I или II ступень).

Была еще одна проблема, казавшаяся в середине 1970-х гг. трудноразрешимой. Все дело в том, что на ОС-120 помимо разрывных связей, которыми крепился корабль к внешнему топливному баку, имелись еще и внешние разрывные криогенные топливные магистрали большого сечения, которые необходимо было быстро и надежно закрыть после отделения топливного бака. Аналогов, как и опыта проектирования и эксплуатации таких большеразмерных клапанов, у нас не было, и их создание и отработка представлялись сложной инженерной задачей.

К сказанному нужно добавить, что проект МКС с орбитальным самолетом ОС-120 из-за необходимости совместной отработки не позволял догнать по срокам программу создания Space Shuttle, хотя бы частично скомпенсировав имеющееся отставание.

Все недостатки варианта МКС с орбитальным самолетом ОС-120 были выявлены при защите проекта на Совместном научно-техническом совете МОМ и МО и отражены в его решении от 29 июля 1975 г. Решение предписывало НПО "Энергия" провести оптимизацию основных тактико-технических характеристик и уточнить облик МКС. Именно в результате последующей работы и появился вариант МКС с орбитальным кораблем ОК-92, "переросший" затем в известный всему миру "Буран".

[1] Справедливости ради необходимо заметить, что СССР отчасти сам спровоцировал американскую СОИ, проведя накануне широкомасштабные учения своих стратегических сил (с осуществлением перехвата спутников, запуском наземных МБР и ракет с атомных подводных лодок), названных на Западе "пятичасовой ядерной войной".

[2] Согласно опубликованным данным по первым 91 полетам, среднестатистический полетный вес полезного груза составлял 12722,8 кг, т.е. средняя загрузка шаттла в первой сотне полетов (9 из которых выполнялись по нуждам Министерства обороны США и весовые данные полезной нагрузки остались засекречены) не превышала 43,5%. Максимальная нагрузка 22776 кг была выведена на орбиту 20 июля 1999 года на ВКС "Колумбия", что было всего лишь 77,2% от максимально возможной. Другими словами, шаттлу так ни разу и не удалось серьезно "обставить" наш "Протон" (УР-500К

http://www.buran.ru/htm/os-120.htm