Туполев, гиперзвуковые. Программа создания одноступенчатого BKC ТУ-2000

Следующим этапом работ по созданию одноступенчатого ВКС в ОКБ стало начало проектирования летательного аппарата с маршевой силовой установкой, построенной на комбинации двигателей принципиально различного типа (ТРД + ПВРД + ЖРД). За прошедшие годы ОКБ удалось накопить большой научно-технический и технологический материал, дающий возможность перейти к практической реализации проекта одноступенчатого ВКС. По теме одноступенчатого орбитального ВКС ОКБ за эти годы подготовило несколько проектов, отличавшихся различными техническими решениями в части компоновки летательного аппарата и его силовой установки. Одним из проектов стал проект, получивший обозначение Ту-2000 (самолет «Т») с комбинированной силовой установкой (ТРД + ПВРД + ЖРД).

Исследования, проведенные в ОКБ по проблеме создания одноступенчатого ВКС, дают основание утверждать, что одноступенчатый ВКС способен стать реальностью, если решить, в частности, проблемы существенного повышения экономичности силовой установки и значительно поднять относительный запас топлива на взлете летательного аппарата.

На сегодняшний день существенно повысить экономичность силовой установки можно, используя в качестве окислителя кислород воздуха, то есть применяя ВРД. Единственным типом ВРД, который можно использовать при гиперзвуковых скоростях полета, на которые рассчитывается ВКС, является ПВРД. В свою очередь, использование ПВРД требует выполнение полета в атмосфере с высокими скоростными напорами для ограничения габаритов и массы силовой установки. Высокие скоростные и тепловые нагрузки конструкции летательного аппарата требуют увеличения массы пустого аппарата. Это увеличение целесообразно лишь тогда, когда существенно снижается общая масса бортового запаса топлива. Использование в качестве окислителя атмосферного воздуха позволяет уменьшить секундный расход топлива, однако существенное снижение общей массы ВКС может быть достигнуто только при условии работы ПВРД в широком диапазоне чисел М полета (широкодиапазонный ПВРД — ШПВРД). Это дает существенную разность между уменьшением массы топлива и увеличением массы конструкции, связанным с использованием ПВРД, и обеспечивает выигрыш в относительной массе полезной нагрузки.

Другим определяющим условием реализации одноступенчатого ВКС является использование в качестве топлива жидкого водорода. Уникальное сочетание высокой массовой теплотворной способности и высокой удельной теплоемкости позволяют создать более легкие и компактные двигатели с требуемым удельным расходом топлива. Одновременно использование хладоресурса жидкого водорода дает возможность спроектировать достаточно легкую охлаждаемую конструкцию планера и воздухозаборника, а также обеспечивать необходимые температурные режимы бортовых систем и оборудования. Применение ПВРД требует большую часть разгонной траектории до орбитальной скорости выполнять в плотных слоях атмосферы, что вызывает сильный кинетический нагрев конструкции, особенно передних кромок крыла, воздухозаборника, носка фюзеляжа и всей нижней поверхности ВКС. Расчеты, проведенные в ОКБ, показали, что без применения жидкого водорода в качестве охлаждающего хладоагента, не удается обеспечить нормальный температурный режим конструкции планера, самих ПВРД, оборудования, а также обеспечить нормальные условия для экипажа, грузов, в том числе и специальных, а в перспективе и для пассажиров.

Из условий применения на ВКС основной разгонной силовой установки на базе ПВРД для него наиболее рационально применение комбинированной силовой установки, включающей экономичные ТРД, работающие в диапазоне скоростей соответствующих диапазону М = 0 — 2,5, ПВРД (ШПВРД), обеспечивающих разгон до М = 20 — 25, и ЖРД для доразгона до орбитальной скорости и маневрирования на орбите.

Для того, чтобы одноступенчатый ВКС был конкурентоспособен в сравнении с другими транспортными ракетно-космическими средствами, при его проектировании необходимо обеспечить выполнение ряда требований к летным характеристикам. ВКС должен обладать способностью совершать взлеты и посадки со стандартных взлетно-посадочных полос длиною до 3000 м, совершать полеты с разворотом на дозвуковой скорости после взлета для выхода в заданную точку начала разгона, и перед посадкой для захода на заданный аэродром, осуществлять перелеты для изменения аэродрома базирования, быстро выполнять разгон до заданной скорости и высоты, включая выход на круговую орбиту, выполнять неоднократные орбитальные маневры, выполнять автономный орбитальный полет продолжительностью до суток, выполнять крейсерский полет в атмосфере с гиперзвуковыми скоростями, выполнять торможение со снижением при возвращении с орбиты, в процессе разгона до орбитальных параметров, а в процессе снижения выполнять маневрирование для прохода заданной трассы и выхода на заданную орбиту и заданный аэродром.

Из-за сложности решения комплекса научно-технических, технологических и эксплуатационных проблем создания одноступенчатого ВКС, в ходе проектирования решено было, что целесообразно практические работы начать с постройки и испытаний экспериментального ВКС несколько меньшей размерности, чем окончательный вариант. На этом летательном аппарате будут проверены в реальных условиях полета новые концепции и технические решения, заложенные в аэродинамическую схему, силовую установку, конструкцию и теплозащиту планера, самолетных систем и двигателей и оборудования. Необходимость создания экспериментального ВКС обусловлена, кроме всего прочего, отсутствием условий натурного моделирования на наземных установках при числах М = 6 — 8 явлений аэротермодинамики, процессов горения в двигательной установке, процессов нагрева конструкции.

В 1987 — 1988 гг. ОКБ, совместно с ЦАГИ, ЦИАМ и другими предприятиями и организациями разработало концепцию одноступенчатого ВКС с комбинированной двигательной установкой, имеющей в своем составе гиперзвуковой ВРД (ГПВРД).

Принципиальная новизна разрабатываемого ВКС, неопределенность в характере внешних воздействий на него, отсутствие проверенных технических решений по ряду направлений, а также необходимого набора конструкционных материалов, обуславливали необходимость поэтапной разработки и испытаний экспериментального ВКС. Поэтому вся программа по созданию экспериментального ВКС была разбита на два этапа: создание экспериментального гиперзвукового самолета ЭГС с максимальной скоростью полета до М = 5 — 6 и создание экспериментального ВКС -прототипа одноступенчатого многоразового ВКС, обеспечивающего проведение летного эксперимента во всей области полетов, вплоть до выхода в космос.

В рамках работ по второму этапу в ОКБ в конце 80-х годов было подготовлено техническое предложение по проекту экспериментального ВКС Ту-2000А и техническое предложение к одноступенчатому ВКС Ту-2000. В дальнейшем, в течение нескольких лет, исходная концепция развивалась. В частности, появилось предложение по переходу в двигательной установке от ГПВРД к ШПВРД. Создание экспериментального ВКС Ту-2000А являлось необходимым этапом работ, на нем должны были быть проверены в реальных условиях все новые концепции, заложенные в аэродинамическую схему, силовую установку, конструкцию и теплозащиту планера. Учитывая экономические и организационные сложности 90-х годов ОКБ предложило начинать работы по Ту-2000А с создания промежуточных ВКС Ту-2000А-1 и Ту-2000А-2 как летающих лабораторий первого этапа, рассчитанных на полеты с максимальными скоростями, соответствующих М = 5 — 6. Для выполнения программы предлагалось создание летающей лаборатории на базе модернизированного двигателя АЛ-41Ф (Д-101) в модификациях: Д-101В с основной и форсажной камерой, работающих на водороде, и Д-101К с форсажной и основной камерами, работающими на керосине. Соответственно предлагались к проектированию и постройке самолет Ту-2000А-1 с двумя стартовыми двигателями Д-101, с взлетной массой 40 т и Ту-2000А-2 с одним стартовым двигателем Д-101, с взлетной массой 20 т. Ближайшим этапом работ должно было стать создание самолета Ту-2000А-2 с одним Д-101. После проведения этих работ можно было переходить к окончательному варианту Ту-2000А с взлетной массой 70 т с двумя новыми двигателями Д-100 тягой по 30 тс.

Для Ту-2000А была принята аэродинамическая схема «бесхвостка», все элементы ВКС конструктивно интегрированы вокруг силовой установки, состоящей из двух ТРД типа Д-100, находящихся в хвостовой части, основного разгонного ГПВРД, расположенного под фюзеляжем в задней его части и двух ЖРД для маневрирования в космическом пространстве, установленных между ТРД. ВКС имеет треугольное крыло относительно небольшой площади и малого удлинения. Большую роль в создании подъемной силы играет фюзеляж с плоской нижней поверхностью. Органы управления традиционные для данной схемы ЛА: элевоны на крыле и руль поворота на киле. Основной двигатель — ГПВРД. Он включает в себя воздухозаборник внешне-внутреннего сжатия, регулируемые камеры сгорания с косым срезом и многоканальную систему подачи топлива. Основной разгонный режим выполняется на ГПВРД, воздушные каналы ТРД после достижения скорости М=6 и начала работы ГПВРД закрываются заслонками, которые в открытом состоянии образуют входное устройство воздухозаборников ТРД.

Особенностью конструкции ВКС является интегральное решение во взаимной компоновке планера и силовой установки, особенно в части, касающейся ГПВРД. Нижняя поверхность фюзеляжа обеспечивает внешнее сжатие воздуха, входящего в ГПВРД, является верхней поверхностью замкнутой камеры внутреннего сжатия воздуха и сгорания топлива, служит верхней профилированной поверхностью сопла с косым срезом.

Фюзеляж ВКС большого размера, в основном занят топливными баками с жидким водородом. В носовой части фюзеляжа расположена кабина на двух членов экипажа. Система аварийного спасения экипажа обеспечивает покидание ВКС на всех этапах полета от земли до околоземной орбиты. Носовая часть вместе с кабиной отделяемая. Она прорабатывалась в двух вариантах: с отделяемой и спасаемой на парашюте кабиной экипажа и катапультируемыми креслами самолетного типа. На экспериментальном ВКС предполагалось использовать катапультируемые кресла с предварительным отделением носовой части самолета и торможением ее аналогично спускаемым аппаратам космических кораблей до скорости, соответствующей М = 2,0 — 2,5.

За кабиной экипажа находится технический отсек радиоэлектронного оборудования, в этот же отсек убирается передняя стойка шасси. Средняя и задняя части фюзеляжа занята топливным баком с жидким водородом. Для питания ЖРД окислителем в хвостовой части фюзеляжа установлен кислородный бак. Все двигатели в качестве горючего используют жидкий водород из единой топливной системы.

Экспериментальный ВКС Ту-2000А второго этапа согласно предварительным расчетам ОКБ должен иметь взлетную массу в пределах 70 — 90 тонн, запас жидкого водорода 30 тонн и жидкого кислорода 5 тонн. Длина самолета 55 — 60 м, размах крыла 14 м.

К середине 90-х годов в ходе работ по данной программе ОКБ подготовило техническое предложение по одноступенчатому воздушно-космическому самолету с горизонтальным взлетом и посадкой Ту-2000.

К этому периоду в мире было известно несколько десятков проектов одноступенчатых ВКС, разработанных в разное время различными фирмами и научными центрами ряда стран, которые можно было отнести к двум большим классам: с двигательной установкой на основе ЖРД, и с комбинированной двигательной установкой, в состав которой входят воздушно-реактивные двигатели. Первая группа проектов, с учетом нынешнего уровня развития техники, на ближайшее время малоперспективна, так как представляет достаточно противоестественный симбиоз самолетных принципов полета в атмосфере с баллистическими носителями и ракетной двигательной установкой, которая из-за необходимости нести на борту запас окислителя имеет низкий удельный импульс, что требует очень легкой конструкции. Кроме того, минимум потерь характеристической скорости при взлете на ЖРД получается при вертикальном старте. Любая другая траектория увеличивает потери, особенно аэродинамические.

Исходя из этого ОКБ для Ту-2000 приняло концепцию ВКС, предусматривающую использование ВРД. В рамках принятой концепции ОКБ совместно с другими предприятиями и организациями изучало возможности специфической группы проектов с двигательной установкой, использующей ожижение атмосферного воздуха в полете. Такая схема силовой установки возможна, особенно если траектория разгона имеет участок накопления кислорода при скоростях полета, соответствующих числу М = 4,5 — 5. Однако сама возможность выхода на орбиту такого самолета и масса полезного груза зависят от габаритов и массы установки ожижения и разделения воздуха, для проектирования которой в то время не было необходимого научно-технического задела. Воздухозаборник этой системы создает дополнительное сопротивление, что заставляет увеличивать тягу ВРД и т.д. Даже при благоприятных результатах разработки достаточно сложных в техническом и технологическом плане агрегатов и систем ВКС с ожижением, он не имеет преимуществ по сравнению с ВКС с ПВРД (ГПВРД, ШПВРД). Трудность освоения данной концепции была подтверждена многолетней историей разработки британского проекта «Хотол». В рамках возможного пути развития ВКС концепция «Хотол» в ОКБ рассматривалась в 1986 — 1987 гг., но дальнейшего развития не получила.

В концепции одноступенчатого ВКС Ту-2000 выведение на околоземную орбиту выполняется с помощью комбинированной силовой установки, которая включает стартовые газотурбинные двигатели для взлета, начального разгона, маневрирования у земли и посадки, разгонный воздушно-реактивный двигатель (ГПВРД или ШПВРД) и жидкостной ракетный двигатель. Как и в случае с экспериментальным Ту-2000А, особенностью ВКС Ту-2000 является интегральная компоновка планера и его силовой установки, в которой нижняя поверхность фюзеляжа обеспечивает внешнее сжатие воздуха, входящего в ВРД, и служит верхней профилированной поверхностью сопла ВРД с косым срезом. Варианты с ГПВРД и ШПВРД отличаются типом и диапазоном работы ВРД и соотношением масс горючего и окислителя для ЖРД и, что самое важное, значительным увеличением массы полезной нагрузки (для ГПВРД — 0,5 т, для ШПВРД — 10т).

Некоторые основные данные Ту-2000:
 

Силовая установка:

• — 6 х ТРДДТ типа Д-100 по 30,0 — 32,0 тс
• — 6 х ШПВРД с геометрическим и тепловым регулированием ЖРД с суммарной тягой 50 т.

В первоначальном варианте ВКС Ту-2000 с ГПВРД имел следующие особенности:

• — комбинированная двигательная установка из ТРДДТ, работающих до М = 6, ГПВРД, работающего в диапазоне М = 6 — 13 и линейного ЖРД, работающего в диапазоне от М = 6 и до М, соответствующего выходу на заданную орбиту;
• — горячая конструкция крыла и оперения, основным конструкционным материалом которых является никелевый сплав;
• — регулируемый воздухозаборник, обеспечивающий функционирование как ГТД, так и ПВРД, и закрывающий вход в двигатели на тех этапах полета, когда они не работают.

Все это требовало решения сложных технических проблем, в частности требовалось создать высокотемпературный вентилятор для ТРД (ТРДДТ) с рабочей температурой лопаток 2000° С, сложный высоконагруженный воздухозаборник и т.д.

Принципиально снятие этих проблем возможно путем внедрения ШПВРД вместо ГПВРД, разделением газотурбинной и прямоточной частей двигательной установки для ТРД и ШПВРД (ТРД со своим убираемым воздухозаборником на верхней части корпуса самолета, а ПВРД -на нижней. При этом диапазон работы ТРД ограничивается по верхней границе числом М = 2 — 2,5, что должно снять температурные проблемы с разработки ТРД. ШПВРД в этом случае работает в диапазоне скоростей полета от М = 2 — 2,5 до М = 20-25. Такой ВРД невозможно создать без глубокого регулирования его геометрии в зависимости от числа М полета во всем диапазоне его работы. С установкой ШПВРД значительно снижается потребная тяга ЖРД (более чем в три раза) и время его работы на активном участке. Поэтому, если в варианте с ГПВРД целесообразна установка одного большого разгонного линейного ЖРД в комбинации со специальными ЖРД системы орбитального маневрирования (ЖРД СОМ), то в случае ШПВРД возможна установка двух более легких ЖРД, используемых и для орбитального маневрирования. В варианте с ШПВРД общее количество топлива уменьшается почти на 20%, в то время как заправляемое количество жидкого водорода увеличивается на 40%. Поэтому объем топливных баков и габариты фюзеляжа в варианте с ШПВРД больше, он более критичен к весовому совершенству конструкции криогенных баков.

В ходе разработки элементов программы Ту-2000 и программы криогенных самолетов были освоены многие передовые и прорывные технологические процессы, освоены перспективные материалы. В частности, освоено производство и внедрение композиционных трубопроводов, в том числе криогенных, созданы различные агрегаты систем авиационной криогенной техники (насосы, клапана и др.). Освоены технологии производства методом намотки крупногабаритных композиционных баков, в том числе и криогенных. На основе этих технологий возможно создание криогенных баков для ракетно-космической и авиационной техники с удельной массой менее 20 кг/м². Подобные технологии позволяют изготавливать фюзеляжи самолетов из углеродного композиционного материала методом намотки с удельной массой менее 10 кг/м². В ходе разработки программы были освоены технологии изготовления полуфабрикатов и агрегатов самолета из высокотемпературных титановых сплавов (t раб. до 600°С) для аэрокосмической промышленности.

Общепризнано, что наиболее рациональным типом конструкции крыла для гиперзвуковых летательных аппаратов является «горячая» конструкция. «Горячая» конструкция консолей крыла (а также оперения) позволяет вообще обходиться без теплоизоляции или иметь минимальную теплозащиту (при особо сильном нагреве, как например для ВКС). Крыло являлось объектом тщательного изучения, так как оно должно нагреваться в полете до 500 — 550°С, обладая при этом необходимой прочностью, оставаясь легким и жестким, сохраняя необходимые геометрические обводы.

При разработке конструкции крыла гиперзвукового летательного аппарата предусматривается целый набор конструктивных решений, обеспечивающих при нагреве компенсацию температурных деформаций. Прочностной и тепловой анализ крыла показали, что наиболее подходящим конструкционным материалом крыла является жаропрочный титановый сплав. В ходе работ по Ту-2000, с распространением результатов на проекты гиперзвуковых самолетов, проводились экспериментальные работы по исследованиям формообразования гофра и гибки поясов лонжеронов, а также точечной сварки на образцах из реального материала. Для Ту-2000А был первоначально выбран никелевый сплав в качестве основного, так как это позволяло изготовить наиболее простое крыло экспериментального самолета первого этапа с максимальной скоростью полета, соответствующей М=6, вообще без теплоизоляции. Для полноразмерного ВКС этот вариант с теплоизоляцией имел, по расчетам, преимущество по массе по сравнению с конструкцией крыла из алюминиевого сплава (ВКС «Буран») и из титанового сплава. Механические и технологические свойства жаропрочного никелевого сплава были исследованы на элементарных образцах. Были изготовлены элементы конструкции гиперзвукового летательного аппарата (гофровые панели, лонжероны) с отработкой технологии штамповки, сварки, механообработки. Был изготовлен модельный кессон крыла с габаритами 2×1 м и проведены его теплопрочностные испытания в специальной установке. Изготовлен натурный кессон крыла ВКС размером 4×10 метров для теплопрочностных испытаний.

Никелевый сплав имел достаточную пластичность, обеспечивающую хорошую штамповку для качественного образования гофра, отличную свариваемость точечной, роликовой и аргонодуговой электросваркой без потери свойств. Однако в целом испытания сплава в реальных конструкциях дали больше отрицательных результатов. Уже при изготовлении не удалось полностью избавиться от коробления. Механические и тепловые методы правки не дали полностью положительных результатов. Кессон, выполненный из никелевого сплава сохранял геометрические размеры и выдерживал заданные нагрузки при нагреве до 700°С. Вместе с тем, при остывании верхняя обшивка кессона теряла устойчивость, появлялось коробление, что говорило о высоком уровне остаточных напряжений в конструкции, отмечались явления ползучести под нагрузкой при высоких температурах. Переход на титановый сплав позволил избавиться от многих конструктивных и технологических недостатков исходной конструкции.

К достоинствам ВКС Ту-2000 можно отнести:

• — минимальная удельная стоимость выведения груза на орбиту;
• — многоцелевое применение;
• — оперативность и гибкость применения, малое время реакции;
• — базирование на обычных аэродромах, оснащенных криогенным заправочным комплексом;
• — возможность изменять плоскость орбиты, осуществлять выведение и спуск с параллаксом относительно плоскости орбиты;
• — более высокая безопасность полета за счет возможности резервирования работы двигателей, системы управления самолетного типа, возможности оперативного прекращения полета и выбора — альтернативных траекторий возвращения на Землю;
• — возможность использования как гиперзвукового или как трансатмосферного самолета.

Основным недостатком программы Ту-2000 является высокая сложность научно-технических задач, которые необходимо решить в ходе ее выполнения. К ключевым проблемам создания Ту-2000 относятся:

• — создание ШПВРД, его интеграция с другими элементами силовой установки и самолетом;
• — создание конструкции с требуемым весовым совершенством, в том числе разработка и освоение производства новых высокоэффективных конструкционных, теплоизоляционных материалов и покрытий, отработка конструкции криогенных топливных баков, «горячих» конструкций планера, конструкций с активным охлаждением;
• — создание комплекса методов и средств расчета тягово-аэродинамических характеристик, процессов нагрева конструкции;
• — разработка легкого и надежного ботового комплекса оборудования.

Более чем десятилетние научно-исследовательские работы по программе создания ВКС Ту-2000, в ходе которых были проведены конструкторские проработки различных вариантов компоновок, проведены и испытаны элементы конструкции интегральных криогенных топливных баков, элементы «горячей конструкции» крыла, новые жаропрочные конструкционные материалы в реальных самолетных конструкциях, элементы активной тепловой защиты планера, крупногабаритные конструкции из перспективных композиционных материалов с различными покрытиями, позволили ОКБ накопить бесценный опыт в области создания гиперзвуковых летательных аппаратов различного назначения.

источник: Валерий Солозобов, Александр Слободчиков, Михаил Казаков, Владимир Ригмант "Туполев, гиперзвуковые" Авиация и Космонавтика №12-2009