Проект БОР-4: как США охотились за советским прототипом «Бурана»
5 декабря 1980 года состоялся суборбитальный полет аппарата БОР-4С. Под этой аббревиатурой скрывался прототип беспилотного орбитального ракетоплана, предназначенного для проверки технологий, которые планировалось использовать в многоразовом орбитальном корабле «Буран». Как был устроен БОР-4, для чего предназначался и как проходили его полеты, объяснил эксперт Pro Космоса Игорь Афанасьев.
БОР-4 — это беспилотный орбитальный ракетоплан, который использовался для отработки теплозащиты будущего корабля «Буран» в условиях реального космического полета. Какие проблемы нужно было решить инженерам и почему эта программа так сильно возбудила американцев?
Зачем кораблю «Буран» нужна была теплозащита
С первых этапов создания «Бурана» стало очевидно, что камнем преткновения при разработке орбитального корабля станет система тепловой защиты, эффективно работающая как в космосе, так и при спуске в атмосфере. Необходимо было создать многоразовое покрытие, которое бы не пропускало тепло к основным конструкциям аппарата и могло работать в экстремальных условиях от -120 до +1700 °C. Последние температуры характерны для критических зон, таких как носовой обтекатель и передние кромки аэродинамических поверхностей.
На тот момент в Советском Союзе не было материалов, сочетающих высокую термостойкость, жаростойкость, прочность, низкую теплопроводность, малую плотность и возможность многократного использования. Эксперименты с металлическими покрытиями, проведенные в конце 1960-х — начале 1970-х годов в авиационном истребительном Опытно-конструкторском бюро №155 (ОКБ-155) под руководством Артема Микояна в рамках программы «Спираль», лишь обозначили круг нерешенных проблем.
Советская авиационно-космическая система «Спираль» включала гиперзвуковой самолёт-разгонщик, двухступенчатый ракетный блок и орбитальный самолёт. Система должна была взлетать горизонтально, с использованием разгонной тележки. Самолёт-разгонщик поднимал систему в стратосферу и разгонял до гиперзвука, затем отделялся, и включались ракетные ступени. Они ускоряли орбитальный самолёт до первой космической скорости.
Довести «Спираль» до орбитальных полётов не удалось — программа была закрыта при начале разработки проекта «Буран».
24 февраля 1976 года было основано Научно-производственное объединение (НПО) «Молния». Это предприятие отвечало за создание планера для многоразового орбитального корабля «Буран». Главный конструктор предприятия Глеб Лозино-Лозинский позже вспоминал, что металлическая теплозащита «Спирали» из жаропрочных сплавов казалась слишком тяжелой, громоздкой и ненадежной. Поэтому решили искать другие материалы, включая керамику, как в американском шаттле. В СССР не было кварцевого песка для производства нитей, из которых спекали теплозащитные плитки. Планировали даже импортировать песок из Бразилии.
В конце концов песок удалось найти и в СССР, но технологию изготовления элементов теплозащиты еще предстояло разработать. Для носового кока и передних кромок был создан углерод-углеродный композитный материал, выдерживающий температуры до 1650°С. Но из-за высокой плотности он не подходил для обшивки всей поверхности — плитки получались слишком тяжелыми. Для защиты менее нагретых участков использовались материалы на основе кварцевого волокна.
Конструкция планера «Бурана» и шаттла изготавливалась из высокопрочных титановых, алюминиевых и магниевых сплавов и полимерных композитов. Они выдерживали температуру не выше 160 °С. Поэтому значительная часть внешней поверхности планера покрывалась несколькими видами многоразовой теплозащиты, которые выбирали и размещали с учетом распределения внешних тепловых нагрузок.
Что такое абляционная теплозащита
На нижней и боковых поверхностях планера, где температура может достигать 1250°С, ставились керамические плитки из высокочистого кварцевого волокна размером примерно 150 × 150 мм и толщиной от 40 до 110 мм. Внешние поверхности плиток упрочнялись эрозионностойким покрытием черного цвета из боросиликатного стекла с высокой излучательной способностью. Это позволяло эффективно отводить до 98% внешнего теплового потока за счет переизлучения в пространство.
Для защиты менее нагреваемых зон боковой и верхней поверхностей, где температура не превышала 700 °С, применялись керамические плитки из того же материала, но с внешним стеклообразным покрытием белого цвета. Оно уменьшало поглощение солнечного излучения в условиях орбитального полета.
Как испытывали систему теплозащиты корабля «Буран»
Первый этап создания теплозащитных материалов для «Бурана» включал наземные испытания в тепловакуумных и плазменных установках, а также проверку на акустические и вибрационные нагрузки.
Второй этап включал летные испытания материалов на самолетах-лабораториях Ил-18 и МиГ-25 при до- и сверхзвуковых скоростях, с установкой образцов на наружную поверхность в зонах высоких скоростных напоров.
Третий этап — космические испытания для проверки работоспособности элементов теплозащиты в реальных условиях, которые предполагалось провести с помощью летающих стендов.
Здесь мог пригодится опыт специалистов Летно-исследовательского института (ЛИИ) имени М.М. Громова, которые в период с 1966 по 1969 годы совместно с инженерами ОКБ-155 и других организаций разработали серию беспилотных орбитальных ракетопланов (БОР). С их помощью проводилась обширная программа исследований для определения и уточнения аэродинамических характеристик и устойчивости орбитальной системы «Спираль». Кроме того, БОРы служили для изучения тепловых потоков по поверхности летательного аппарата, испытания различных видов теплозащитных материалов и конструкций, а также отработки методов управления на границе космоса и атмосферы. В период с 1969 по 1974 годы по суборбитальной траектории были запущены семь аппаратов БОР-1, БОР-2 и БОР-3 в масштабе 1:3 и 1:2 от расчетных размеров орбитального самолета системы «Спираль».
В 1975 году в одном из отделений ЛИИ под руководством Владимира Уткина был разработан эскизный проект летно-экспериментального комплекса с аппаратом БОР-4, который с помощью ракеты-носителя К65М-РБ4 должен был запускаться с космодрома Капустин Яр по орбитальной траектории, совершать полет в космосе, аэродинамический спуск в атмосфере и парашютную посадку. Эти работы шли еще в рамках программы «Спираль».
Чуть позже началась разработка «Бурана» и его теплозащиты. Первоначальные варианты аппарата, продутые в трубах Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ) имени Н.Е. Жуковского, не обеспечивали нужных критериев подобия орбитальному кораблю и требовали доработки. В результате исследований начальник отдела ЦАГИ Владимир Нейланд и заместитель главного конструктора НПО «Молния» Евгений Самсонов предложили повторить обводы носовой части «Бурана» в специальном аппарате, используя наработки по «Спирали».
«Нужно взять за основу нос «Бурана» и добавить заднюю часть для балансировки. Обеспечив правильное соотношение веса и площади миделя, получим требуемые тепловые потоки на носу. Это создаст условия, близкие к натурным, на первых рядах плиток», — вспоминал Владимир Яковлевич.
Глеб Евгеньевич Лозино-Лозинский описывал, как проект «Спираль» превратился в БОР-4: «Для проверки надежности теплозащиты и аэродинамических расчетов решили на модели космического аппарата смонтировать теплозащиту и проверить ее на траектории спуска “Бурана”. Так как конфигурация орбитального самолета “Спирали” была хорошо отработана, создали модель БОР-4 в масштабе 1:2. Она обеспечивала траекторию, близкую к спуску “Бурана”, и размещение плиток теплозащиты, учитывая температурные режимы и нагрузки, аналогичные натурному полету нового орбитального корабля».
Устройство летательного аппарата БОР-4
БОР-4 представлял собой автоматический летательный аппарат — уменьшенную копию орбитального самолёта «Спираль». Его аэродинамическая схема была комбинированной: на начальном этапе спуска использовался несущий корпус, а затем раскладывалось крыло. Длина аппарата составляла 3,859 м, ширина — 2,875 м, высота — 1,162 м, а масса при старте достигала 1450 кг. БОР-4 оснащался системами автоматического управления, парашютной посадки и телеметрической аппаратурой.
При запуске аппарат закрывался аэродинамическим обтекателем ракеты, а консоли крыла складывались на его спине «шалашиком». После отделения от носителя обтекатель сбрасывался, и БОР-4 начинал автономный одновитковый полет, стабилизируемый восемью микродвигателями. На втором витке аппарат ориентировался в пространстве и включал тормозную двигательную установку для схода с орбиты.
Траектория спуска и торможение рассчитывалась так, чтобы аппарат приземлялся на парашюте в заранее определенном районе. Включение двигателя над густонаселенными районами Западной Европы было сопряжено с серьезными внешнеполитическими рисками из-за возможных технических сбоев.
В процессе спуска в атмосфере консоли крыла разворачивались, определяя угол атаки для самобалансировки. Это позволяло защитить переднюю кромку крыла от высоких температур, так как воздушный поток встречался с нижним днищем крыла и «стекал» с него.
После раскладывания консолей крыло обеспечивало статическую устойчивость аппарата по курсу. Балансировка достигалась на высоте примерно 70–60 км при угле атаки 57° в первом полете и 52–54° в последующих. Управление по крену осуществлялось за счет дифференцированного отклонения консолей. Аппарат маневрировал для входа в прогнозируемую зону, учитывая тепловые потоки и перегрузки.
После аэродинамического торможения и планирующего полета в верхних слоях атмосферы на высоте около 30 км система управления направляла БОР-4 в крутую спираль для быстрого снижения скорости. На высоте примерно 7500 м выпускался парашют. Скорость снижения 7...8 м/с свидетельствовала о необходимости приводнения для смягчения посадки. После приводнения надувался конический баллон-пеленг с мигающим фонарем, увеличивающий плавучесть аппарата и выводящий наружу антенны поисковой системы.
Для испытания многоразовой теплозащиты на алюминиевую обшивку БОР-4 наклеивали керамические плитки из ультратонкого кварцевого волокна и гибкие маты из органического войлока на несколько слоёв фенол-формальдегидной ткани. Из-за меньшего радиуса носовой кок подвержен повышенным тепловым нагрузкам, поэтому его сделали из углерод-углеродного композита с жаропрочным крепежом, используя дополнительную волоконную теплоизоляцию.
Для надежности внутреннюю полость консолей между конструкции и плитами заполнили фетром с водой, загущенной до геля. Вода должна была испаряться, обеспечивая охлаждение при торможении и нагреве.
Телеметрическая система БОР-4 записывала данные с 150 термопар на обшивке и передавала их при пролёте над измерительными судами и на наземный пункт. Измерялись показания акселерометров, угловых скоростей, положения консолей, а также данные с датчиков температуры и давления.
Первые полеты аппарата БОР-4
С 1980 по 1984 год на 107-й площадке космодрома Капустин Яр прошли пять пусков модификации ракет-носителей «Космос-3М», несущих аппараты БОР-4. Официально целью полетов были исследования верхних слоев атмосферы и ближнего космоса.
Первый пуск по суборбитальной траектории в сторону озера Балхаш был тестовым для летно-экспериментального комплекса. Данные с аппарата БОР-4С помогли улучшить конструкцию. В прессе сообщений о полете не было. Через полтора года состоялся успешный орбитальный запуск.
Испытания комплекса с приводнением аппарата планировалось провести на втором витке над Индийским океаном, западнее Австралии и южнее Кокосовых островов. Длина траектории полета составляла примерно 50000 км. В рамках поисково-спасательных мероприятий были задействованы корабли ВМФ СССР, которые выполняли задачи по организации связи с наземными командными пунктами, а также развертыванию сил для подъёма, охраны и эвакуации аппарата.
Для первой орбитальной миссии ВМФ отправил в Индийский океан шесть кораблей: командный пункт «Чумикан», поисково-спасательные суда «Ямал» (основной), «Апшерон» и «Донбасс» (резервные), большой противолодочный корабль «Горделивый» (уже в походе заменен на «Чапаев») и танкер «Алатырь». Для связи использовались три научно-измерительных судна — «Космонавт Георгий Добровольский», «Космонавт Виктор Пацаев» и «Космонавт Павел Беляев», оснащенные радиостанциями и аппаратурой для передачи информации.
12 апреля 1982 года отряд из трех поисково-спасательных кораблей, включая «Ямал» и «Космонавт Георгий Добровольский», вышел из Севастополя. В море к ним присоединились корабли других флотов.
Американские и австралийские самолеты-разведчики Orion постоянно облетали группу, устанавливая барьеры из буев для обнаружения подводных лодок. Иностранные разведки не могли понять цель группы из семи кораблей, пока ТАСС не сообщило о закрытии района для испытаний советской космической техники.
30 мая 1982 года корабли заняли места в «эллипсе рассеивания» площадью 1000 км². Из-за задержек запуска пропустили благоприятную погоду, начались штормы.
БОР-4 стартовал 4 июня 1982 года в полночь, и получил название «Космос-1374». Выполнив 1,25 витка по орбите, он начал спуск с боковым маневром. Через некоторое время суда стали принимать телеметрию и сигналы о раскрытии парашюта.
Из-за значительного промаха с расчетным местом посадки (почти 200 км) поисковые суда (как наши, так и австралийские) поменяли курс и устремились к месту предполагаемого приводнения.
Наконец в волнах показался БОР с высоким надувным сигнальным конусом, раскрашенным в красные и белые поперечные полосы. Катер с «Ямала» и резиновая надувная лодка с двумя водолазами направились к объекту.
Владимир Дмитриев, капитан 3-го ранга и участник событий, описывает ситуацию так: «В воздухе висело несколько наших корабельных вертолетов Ка-25... Смотреть на то, как они по очереди садятся для дозаправки на кренящиеся палубы, было страшно. Над БОРом очень низко, почти над головами, кружил самолет-разведчик ВМС США Orion с огромной фотокамерой на днище. Он мешал нашей работе (австралийский Orion уже улетел, вероятно, из-за нехватки топлива). Один из вертолетчиков не выдержал и выпустил сигнальную ракету поперек курса “Ориона”. После этого самолет понял намек и улетел, начав летать по большому кругу».
Как США и Австралия охотились за русским мини-шаттлом БОР-4
На катере, кроме экипажа, находились гражданские специалисты. Их задачей было отключить систему самоуничтожения аппарата с помощью секретного кода. До дезактивации БОР фактически превратился в плавучую мину — ни поднять, ни переместить его было нельзя.
Код ввели, но попытки поднять БОР на борт поисково-спасательного судна «Ямал» успехом не увенчались: несмотря на долгую буксировку за катером правильно подвести под аппарат сетку бортового подъемного устройства не получалось.
«Мы делали заходы, — вспоминает Владимир Дмитриев, — но ветер, течения и большая волна мешали. К этому времени топливо, вода и продовольствие закончились: корпус корабля приподнялся, а большая парусность не позволяла точно выйти на цель».
Ситуация становилась опасной. БОР разбил носовой кок о борт катера и мог затонуть. При приводнении топливо системы управления не слилось, и в любой момент военные и гражданские специалисты могли отравиться токсичными парами.
В ходе очередного этапа операции БОР наконец удалось успешно поймать в сетку, поднять на борт «Ямала» и установить на палубе. Топливо сливали дистанционно.
«Когда я наблюдал с “Чумикана”, создалось впечатление, что “Ямал” взорвался, — делится впечатлениями Владимир Дмитриев. — Огненно-рыжий шар закрыл весь корабль водоизмещением шесть тысяч тонн из поля зрения. Остальное было делом техники...»
В Севастополе после завершения операции БОР встречал второй космонавт СССР Герман Титов — на тот момент генерал-лейтенант авиации, руководитель Госкомиссии и первый заместитель начальника Главного управления космических средств (ГУКОС).
Герман Титов: какой была жизнь самого молодого космонавта планеты
Уровень противодействия со стороны иностранных флотов был настолько значительным, что после завершения операции Герман Титов обратился напрямую в Комиссию по военно-промышленным вопросам (ВПК) при Совете Министров СССР с предложением: «Считаю, что существует высокая вероятность перехвата американцами. Предлагаю перенести место посадки в Черное море».
Однако второй орбитальный запуск БОР-4, состоявшийся 16 марта 1983 года, все же был выполнен с посадкой в районе Кокосовых островов.
В операции 1983 года в точке посадки БОР-4 участвовали «Чумикан», «Космонавт Павел Беляев», «Ямал», «Апшерон», «Донбасс» и большие противолодочные корабли «Ташкент» и «Способный». Приводнение было более точным, несмотря на неблагоприятные погодные условия.
Австралийские ВВС подготовились ко второму запуску гораздо лучше и сделали на этот раз более детальные фотографии эвакуации «Космоса-1445». Эксперты, анализировавшие снимки, нашли элементы, которые указывали на пилотируемый характер аппарата: иллюминаторы и теплозащиту из плиток, как у американского шаттла! Снимки вызвали интерес и спекуляции в западных СМИ, которые ошибочно предположили скорую готовность или запуск русского мини-шаттла.
Эвакуация «Космоса-1445» прошла успешно благодаря тщательной подготовке и несмотря на сопротивление иностранных судов. По словам Сергея Писарева, экипаж «Ямала» заметил снайпера на вертолете [Bell OH-58] Kiowa над местом событий. Австралийские военные корабли подошли близко, позволяя советским морякам наблюдать за матросами и смотреть западные фильмы на киноэкранах, выставленных на палубах.
Итоги советской программы БОР-4
Третий и четвертый орбитальные полеты БОР-4 были направлены на посадку в Черное море в районе Севастополя, чтобы избежать обнаружения иностранными флотами. Однако траектория спуска проходила через воздушное пространство Великобритании и ФРГ на высотах 60-80 км, что вызвало значительный политический и дипломатический резонанс.
Третий орбитальный полет аппарата БОР-4, получивший название «Космос-1517», состоялся 27 декабря 1983 года. Западные спецслужбы и военные не получили ожидаемых фотографий, но зафиксировали передачу сообщения о выдаче тормозного импульса над Северной Атлантикой.
Четвертый орбитальный полет, известный как «Космос-1614», прошел 19 декабря 1984 года и до момента приводнения шел в штатном режиме. Однако на финальном этапе полета неожиданно сработала система самоуничтожения, и аппарат БОР-4 был полностью разрушен. Обломки так и не были найдены.
Пятый орбитальный полет не был осуществлен, так как необходимость в нем отпала после решения проблемы теплозащиты орбитального корабля «Буран» в ходе четвертой миссии на летающих моделях.
В рамках программы БОР-4 впервые были исследованы различные аспекты теплозащиты и аэродинамики на скоростях, близких к орбитальным. Ученые определили распределение температур на поверхности многоразовой теплозащиты, а также измерили температурные показатели на носовом обтекателе и прилегающем участке фюзеляжа. Они также проанализировали распределение температур и давлений у балансировочного щитка, изучили конвективные, радиационные и поглощённые тепловые потоки. Важным аспектом стало исследование влияния межплиточных зазоров и уступов на аэродинамическое обтекание и эффективность теплозащиты.
Анализ результатов измерений во время спуска с высоты от 100 км до 30 км при числе Маха 25–30 позволил обосновать оптимальные зазоры и уступы между плитками теплозащиты, разработать модель пространственного теплообмена, учитывая свойства воздуха, определить каталитическую активность покрытия в плазме, оценить риски потери плиток и уточнить температурную схему, а также предложить меры по снижению массы теплозащиты «Бурана».
На основе полученных данных началось тестирование аэродинамически подобной модели орбитального корабля в масштабе 1:8, известной как БОР-5. Ее запускали с полигона Капустин Яр на модифицированный ракете-носителе «Космос-3М». Цель испытаний — изучить аэродинамические характеристики будущего отечественного челнока во время сверхзвукового полета в атмосфере. Поскольку на этом этапе не планировали выводить модель на орбиту, БОР-5 отделялся от ракеты-носителя на восходящей ветви траектории и выполнял автономный суборбитальный полет.
После единственного полета «Бурана» осталась нерешенной проблема радиосвязи на плазменном участке спуска. В ЛИИ к 1990 году разработали модель БОР-6 для изучения радиосвязи в плазме, но из-за событий в стране работы были прекращены. БОР-4 также должен был участвовать в международной программе: по заказу Европейского космического агентства на нем предполагалось исследовать теплозащиту мини-шаттла Hermes.
Как 35 лет назад орбитальный корабль «Буран» совершил свой единственный полет
Отечественная и зарубежная общественность впервые увидела БОРы на первой в стране международной аэрокосмической выставке, которая состоялась в 1990 году на ВДНХ в Москве. Позднее, на авиакосмических салонах «К звездам-91», «МосАэрошоу-91» и -93, а также на МАКС-95, летающие модели уже не только демонстрировались, но и активно рекламировались как полноценные лётно-экспериментальные комплексы для передовых исследований в области гиперзвуковых технологий и разработки воздушно-космических аппаратов.
Примечательно, что после детального анализа снимков приводнившегося аппарата Исследовательский центр имени Лэнгли NASA приступил к углубленным исследованиям конфигурации БОР-4. Результаты этих исследований, в сочетании с ранними разработками NASA в области аппаратов типа «несущий корпус», легли в основу аэродинамической компоновки мини-шаттлов HL-20, HL-42 и Dream Chaser.
Ранее мы рассказывали о том, как рождался легендарный космический корабль «Союз». Как он выглядел и каким был его первый полет — сделали большой разбор.
На обложке статьи — визуализация Pro Космос на основе изображения с сайта buran.ru
