В ходе разработки «Бурана» для подтверждения аэродинамических расчетов и проверки работоспособности теплозащитных конструкций были произведены суборбитальные и орбитальные запуски летательных аппаратов «Бор-4» и «Бор-5».
 |  |
Подготовка космического аппарата,
с ракетой-носителем и запуск
Аппарат«Бор-4» представляет собой копию орбитального самолета системы «Спираль», выполненную в масштабе 1:2. Так же, как и «Спираль», он снабжен отклоняющимся крылом. «Бор-4» не запускался при работе над «Спиралью», но его решили применить для испытаний теплозащитного покрытия «Бурана». На нем были установлены реальные элементы конструкции — гибкая теплозащита, плитки из кварцевого волокна и обтекатель носка фюзеляжа, выполненный из материала «углерод-углерод». Аппарат «Бор-4» массой около 1,5 т выводился на орбиту высотой 225 км баллистической ракетой 65М-РБ5 и, совершив один виток вокруг Земли, снижался по траектории, близкой к траектории «Бурана».
Космический летательный аппарат «БОР-4»
В период с 1982-84 годов было произведено 6 запусков аппаратов«БОР-4» с помощью легкой двухступенчатой РН «Космос-3М» (К65М-РБ5) с космодрома Капустин Яр на различные траектории. Аппараты, выводившиеся на орбиты ИСЗ высотой около 225 км, получали наименования спутников серии «Космос»:
1 — 05.12.1980. Первое испытание «БОРа-4» (получившего обозначение «БОР-4С») в суборбитальном полете.
2 — 03.06.1982. «Космос-1374», приводнение в Индийском океане в 560 км южнее Кокосовых островов после одновиткового полета на орбите ИСЗ. Американскими разведывательными самолетами были получены детальные снимки космического аппарата и операций по его эвакуации.
3 — 15-16.03.1983. «Космос-1445», приводнение в Индийском океане в 556 км южнее Кокосовых островов после одновиткового полета на орбите ИСЗ, эвакуация под наблюдением австралийских разведывательных самолетов.
4 — 27.12.1983. «Космос-1517», в отличие от предыдущих полетов, во избежание наблюдения со стороны западных разведок, изменилось место посадки. Им удалось установить только факт передачи кораблями слежения сообщения о выдаче над северной Атлантикой тормозного импульса. После этого аппарат совершил приводнение в Черном море.
5 — 04.07.1984. По данным зарубежных источников, полет по суборбитальной траектории с максимальной высотой 130 км; отечественные источники вообще не подтверждают факт этого полета.
6 — 19.12.1984. «Космос-1614», приводнение в Черном море после выполнения одного витка. Аппарат потерян поисковой службой.
7 — 20.10.1987. По данным зарубежных источников, полет по суборбитальной траектории с максимальной высотой 130 км; отечественные источники вообще не подтверждают факт этого полета.
Космический летательный аппарат «БОР-4»
1 — носовой теплозащитный обтекатель из жаропрочного «углерод-углеродного» композитного материала «Гравимол»; 2 — электрохимический источник тока (аккумулятор);
3 — топливный бак для газореактивных ЖРД с компонентами топлива азотный тетраксид + несимметричный диметилгидразин; 4 — парашютная система спасения; 5 — блоки автономной бортовой системы управления (и навигации); 6 — блоки радиотелеметрической системы; 7 — научная аппаратура; 8 — силовой привод поворотных консолей крыла; 9 — поворотные (складывающиеся) консоли крыла; 10 — хвостовой стабилизатор (киль); 11 — два блока (по два ЖРД) двигателей газореактивной системы для управления по крену; 12 — центральный блок из четырех газореактивных ЖРД для управления по тангажу и рысканью; 13 — хвостовой силовой шпангоут, по которому аппарат крепится к последней ступени ракеты-носителя.
По программе орбитального полета ориентация в пространстве поддерживалась газореактивной системой(8 сопел) по программе автономной бортовой системы управления (в режиме инерциальной навигации). Топливом для двигателей газореактивной системы служили компоненты АТ+НДМГ. В начале второго витка с помощью сбрасываемого порохового двигателя, установленного «на спине» «БОРа-4», выдавался тормозной импульс — и аппарат входил в атмосферу.
Во время снижения поворотное крыло обеспечивало требуемую статическую устойчивость по курсу, при переходе на малые углы атаки консоли разворачивались в горизонтальное положение для повышения аэродинамического качества. Балансировка обеспечивалась с высоты 70…60 км при угле атаки 570° в первом полете и 52…540° в последующих полетах. Раздельное (дифференцированное) отклонение консолей крыла от балансировочного положения использовалось для управления по крену с проведением контролируемых поворотов для прогнозирования попадания на заданную дальность с непревышением расчетных тепловых потоков и перегрузок на всех этапах спуска.
После торможения и планирующего полета в верхних слоях атмосферы, пройдя участок плазмообразования, «БОР-4» на высоте около 30 км вводился системой управления в крутую спираль для уменьшения скорости полета, и на высоте около 7500 м выпускался парашют, обеспечивающий приводнение с вертикальной скоростью 7…8 м/с. В верхней части «БОРа-4» после приводнения надувался конический баллон-пеленг с мигающим фонарем. Он увеличивал плавучесть аппарата и выводил наружу антенны поисковой системы.
Для связи с «БОРом-4» в первом зачетном пуске были привлечены корабли слежения: «Космонавт Пацаев» и «Космонавт Добровольский». После того, как «БОР-4» выполнил 1,25 витка по орбите, вошел в атмосферу с боковым маневром на дальность 600 км южнее траектории орбитального полета и приводнился в 560 км от архипелага Кокосовых островов в Индийском океане, его подобрали дежурившие там корабли Военно-морского флота СССР.
История поиска первых двух «БОРов-4», приводнившихся в Индийском океане, наглядно демонстрирует накаленность международных отношений в годы «холодной войны».
Корабли слежения: «Космонавт Пацаев», «Космонавт Добровольский» и «Петропавловск» заранее выдвинулись из бухты Петропавловска-Камчатского в район ожидаемого приводнения аппарата к берегам Австралии. Туда же пришли военные корабли Черноморского флота СССР. Присутствие флотилии из семи советских военных кораблей, рассредоточенных в радиусе нескольких сотен километров, привлекло самое пристальное внимание военно-морского флота Австралии. Разведывательно-патрульные самолеты Р-3С «Орион», базировавшиеся на авиабазе Вильямс Королевских ВВС Австралии (Royal Australian Air Force (RAAF) Base Williams), кружили над нашими кораблями непрерывно день и ночь, сменяя друг друга.
Наступило 3 июня 1982 года. «Космос-1374», он же «БОР-4», спланировав в огненной плазме до высоты 4 км, выпустил парашют и плавно лег на волны. Конус навигационного маяка на спине аппарата радировал в эфир о своем местоположении, доставив неприятный сюрприз поисковикам — промах с расчетным местом приводнения составил почти 200 км! К «БОРу-4» устремились все поисковые корабли, как наши, так и австралийские.
После суточного перехода первым к месту приводнения подошел наш поисковый корабль, с которого был спущен катер с гражданскими специалистами, основной задачей которых было ввести в бортовую систему плавающего аппарата специальный секретный код, блокирующий систему самоликвидации. До введения этого кода, система самоликвидации препятствовала любым попыткам поднятия или транспортировки — аппарат, по сути, представлял собой свободно плавающую морскую мину. И только после обезвреживания к «БОРу» подошел наш поисковый корабль и под пристальным наблюдением австралийских ВМС поднял его на свою палубу. Четыре других советских военных корабля «прикрывали» эту операцию. И было от чего! К моменту вылавливания «БОРа» в районе приводнения находились уже не только военные корабли и самолеты-разведчики, но и палубные вертолёты ВМС Австралии.
 |  |
Эвакуация космического аппарата «БОР-4»
Тем не менее австралийцам удалось с воздуха детально отснять весь процесс вылавливания и подъёма ракетоплана на палубу судна«Петропавловск».
Советские участники спасательных операций вспоминали, что австралийский «Орион» так низко ходил над палубой «Петропавловска», что вихри, срывающиеся с его крыльев, чуть не сбивали людей с ног. Поэтому неудивительно, что снимки, сделанные с «Ориона», оказались настолько подробными.
Степень противодействия иностранного флота была настолько высока, что после окончания поисковой операции Г. С. Титов обратился напрямую в ВПК: «Считаю, что велика вероятность перехвата американцами… предлагаю перенести место посадки в Черное море».
Но второй запуск «БОРа-4» (Космоса-1445) был также произведен с посадкой в районе Кокосовых островов. В проведении этого полета помогали корабли сопровождения Академии наук СССР: «Космонавт Волков», «Космонавт Беляев» и научный корабль тихоокеанской геодезической экспедиции «Чумикан». Помимо тихоокеанской эскадры в район Кокосовых островов пришли корабли из Черного моря. Все корабли рассредоточились в радиусе нескольких сот километров, чтобы максимально быстро найти космический аппарат и поднять его на борт. Члены экипажа «Чумикана» позднее вспоминали о степени секретности работ — были наглухо задраены все иллюминаторы, чтобы ни один матрос не мог увидеть происходящих событий. Ближе всего к месту посадки оказался именно «Чумикан», с которого и был спущен катер с инженером на борту для обезвреживания системы самоликвидации приводнившегося космического аппарата. Операция эвакуации «Космоса-1445» закончилась благополучно благодаря большим затратам на организацию поисковых мероприятий, и не смотря на отчаянное противодействие иностранных судов, пытавшихся самостоятельно обнаружить и поднять на борт советский аппарат.
Космический аппарат «БОР-4» на ракете-носителе «Космос-3M»
Австралийские военные корабли подходили настолько близко, что наши моряки могли беспрепятственно рассматривать в бинокли не только самих матросов, но даже смотреть по вечерам… зарубежные фильмы, которые транслировались на экранах, развернутых на верхних палубах иностранных судов!
Ко второму запуску «БОРа-4», в марте 1983 года, австралийские ВВС подготовились еще лучше — они уже знали, что им придется искать, поэтому и сделанные ими фотографии хода эвакуации «Космоса-1445» оказались более детальными по сравнению с «Космосом-1374».
Появление уверенности в надежности системы управления ракетоплана после двух запусков позволило перенести зону приводнения из Индийского океана в район Черного моря. К сожалению, один из двух аппаратов, приводнившийся западнее Севастополя, найти не удалось.
Интересно, что трасса атмосферного участка спуска аппаратов «БОР-4» при приводнении в советских территориальных водах Черного моря проходила на высоте 60-80 км через воздушное пространство стран-членов НАТО — Великобритании и западной Германии (ФРГ), что юридически (в соответствии с нормами космического права граница суверенного воздушного пространства и «ничейного» космоса расположена на высоте 100 км) являлось нарушением их государственных границ, поэтому каждый полет «БОРа-4» с приводнением у наших берегов имел соответствующий политический и дипломатический резонанс.
Сброс головного обтекателя на участке
3-ей ступени РН «Космос-3M»
В результате натурных исследований, проведенных на летающих моделях «БОР-4», была окончательно решена проблема теплозащиты «Бурана».
Впервые в отечественной практике экспериментально были определены:
— распределение температур по поверхности и толщине многоразовой неуносимой теплозащиты радиационного типа, получены значения температур на наиболее теплонапряженных элементах конструкции орбитального корабля — носовом обтекателе и прилегающем к нему участке нижней поверхности фюзеляжа;
— распределение температур и давлений в районе балансировочного щитка;
— конвективные, радиационные и поглощенные тепловые потоки;
— влияние межплиточных зазоров и уступов на характер обтекания и характеристики теплозащиты.
Анализ результатов измерений, полученных в условиях реальных физико-химических процессов и каталитичности поверхности вдоль всей траектории спуска ОК на высотах от 100 до 30 км при скоростях М=25…3 при одновременном воздействии аэродинамических, тепловых, акустических и вибрационных нагрузок, позволил:
— обосновать оптимальные значения зазоров и уступов между плитками теплозащиты;
— отработать математическую модель пространственного теплообмена с учетом неравновесных физико-химических свойств воздуха;
— определить каталитическую активность покрытия в условиях натурной плазмы;
— оценить степень опасности потери одной или нескольких теплозащитных плиток;
— уточнить температурную схему и наметить мероприятия по уменьшению массы теплозащиты «Бурана».
Материалы полетов «БОРа-4» легли в основу технических заключений головных институтов к первому и единственному полету «Бурана», выполненному 15 ноября 1988 года. Результатами работ можно назвать и то, что, в отличие от американцев, мы практически обошлись без потерь теплозащиты: если «Колумбия» в своем первом полете 12 апреля 1981 года потеряла около 30 плиток, то «Буран» — десять (включая два мата гибкой теплозащиты на верхней поверхности левой консоли крыла).
Кроме отработки теплозащиты в процессе создания«Бурана», уже после определения его облика, возникла необходимость проверки в натурных условиях выбранной аэродинамической компоновки орбитального корабля. По отработанной на аппарате «БОР-4» методике с космодрома «Капустин Яр» в сторону полигона в Сары-Шаган (Казахстан) было проведено 6 суборбитальных запусков (в 1983-88 годах) аппаратов «БОР-5», представлявших собой геометрически подобную копию «Бурана» в масштабе 1:8. Наверху задней части летательных аппаратов «БОР-5» NN501-504 были установлены макеты вспомогательных воздушно-реактивных двигателей (ВРД), что соответствовало первоначальному варианту конструкции «Бурана». На летательном аппарате N505 ВРД уже не было, и он соответствовал летной схеме «Бурана».
Было произведено 5 запусков летающей модели:
«Модель 501» — 6 июля 1984 г.
«Модель 502» — 17 апреля 1985 г.
«Модель 503» — 27 декабря 1986 г.
«Модель 504» — 27 августа 1987 г.
«Модель 505» — 27 июля 1988 г.
Основной целью испытаний были исследования аэродинамических характеристик и условий входа ОК в атмосферу с подтверждением расчетных аэродинамических характеристик«Бурана» и экспериментов в аэродинамических трубах. В частности, целью полетов аппаратов «БОР-5» было:
— определение аэродинамических коэффициентов, качества и балансировочных характеристик орбитального корабля, продольной, боковой и поперечной устойчивости в условиях реального полета;
— исследование распределения давления по поверхности аппарата;
— определение тепловых и акустических нагрузок;
— проверка достоверности методов аэродинамического расчета.
Для этих целей, а также для исследования проблем теплопередачи летающие модели оснащались соответствующими средствами измерений и измерительной аппаратурой. Термопары на внутренней поверхности горячей конструкции, выполненной из молибденового сплава(как и передняя кромка крыла), крепились механическим способом. Для измерения температуры поверхности плиток теплозащиты «платина/платина-родиевые» термопары устанавливались во внешнем покрытии из боросиликатного стекла толщиной 0,3 мм. В других местах термопары устанавливались по обычной технологии. Термокраски и термоиндикаторы плавления накладывались, в основном, в виде полосок на боковой и верхней поверхностях моделей. Кристаллические индикаторы максимальных температур с размерами 0,3-0,4 мм, не требовавшие электрических проводов или электроники и применявшиеся для измерения температур до 20000°С с точностью около плюс/минус 100-150°С, устанавливались практически во всех местах теплозащиты и горячей конструкции на клеях различного типа в специальных контейнерах и самостоятельно.
Теплозащита на «БОРе-5» принципиально отличалась от теплозащиты «БОРа-4». Из-за того, что «БОР-5» имел размеры в 8 раз меньшие, чем «Буран», для сохранения аэродинамического подобия с орбитальным кораблем (аэродинамического требования идентичности числа Рейнольдса при соотношении базовых линейных размеров — длин фюзеляжа — 3,856 м для «БОРа-5» и 30,85 м для «Бурана») пришлось снизить высоты полета модели на 15-20 км по сравнению с высотами полета «Бурана» при тех же скоростях.
Носовое покрытие и передние кромки крыла «Бурана» работали на пределе для композиционных материалов «углерод-углерод»: в этих местах превышали температуру 12000°С. Габариты «Бурана» позволяли выполнить эти зоны со сравнительно большими радиусами закруглений. Другое дело масштабная модель — при переходе к масштабу «БОРа-5» кромки соответственно заостряются, их температуры повышаются. Таким образом, законы подобия привели к значительному возрастанию внешних тепловых потоков, и как следствие, к необходимости использования теплозащитных материалов с предельными температурами до 20000°С. Поэтому, с одной стороны, для «БОРа-5» было принято решение ограничить полетной число Маха (до М=15), а с другой — использовать для защиты большей части поверхности абляционное теплозащитное покрытие из материала МСП-К (рабочая температура до 17000-18000°С) на основе кварцевого волокна и хром-алюминий-фосфатного связующего (минерального стеклопластика). Также на аппарате испытывалась радиопрозрачная теплозащита — стеклопластик с кремнеземным наполнителем.
Ракета (К65М-РБ5, зарубежное обозначение SL-8) с аппаратом массой 1450 кг достигала максимальной высоты около 210 км, после чего верхняя ступень РН дополнительным импульсом ориентировала и ускоряла «БОР-5» для обеспечения требуемых условий входа в атмосферу (скорость входа в атмосферу на высоте 100 км от 7300 до 4000 м/с), затем происходило разделение, и «БОР-5» продолжал полет по баллистической кривой. В атмосфере, с высоты около 50 км, полет проходил с программным изменением углов крена и атаки по штатной траектории ОК «Буран», при этом идикаторная скорость была на 30-65% выше предельной для орбитального корабля на этом участке. Как и для «БОРа-4», управление «БОРом-5» вне атмосферы осуществлялось газореактивными соплами, а в атмосфере — рулевыми поверхностями самолетного типа, которые впервые в нашей стране были применены на таких больших скоростях.
Дальность полета «БОРа-5» от точки старта до приземления составляла около 2000 км; с высоты 7-8 км он тормозился по крутой спирали, и на высоте 3 км выпускался парашют, на котором аппарат приземлялся с вертикальной скоростью 7-8 м/с.
С 1984 г. было проведено пять запусков «БОРа-5», причем первые два — по программе ЛКИ доработанной РН. В первом пуске, 6 июля 1984 г., из-за электрического дефекта аппарат и ракета не разделились и упали на землю вместе; последующие полеты прошли нормально.
Первые два полета (модели NN501-502) показали, что в большинстве термически нагруженных зон (носовой кок и передняя кромка крыла) имело место повреждение поверхности с существенным изменением аэродинамики аппаратов. Для исключения влияний этих повреждений на аэродинамические характеристики на последних трех аппаратах NN503-505 носовой кок и передняя кромка крыла были выполнены из тугоплавкого молибденового сплава с дополнительной защитой поверхности специальным покрытием от окисления. После этих мероприятий повреждений не наблюдалось, и аэродинамические характеристики существенно улучшились.
Аппарат «БОР-5» после полета
Использование аппаратов«БОР-5» позволило уточнить характеристики продольной устойчивости и управляемости, а также шарнирные моменты и эффективность органов управления при скоростях М=17,5…1,5, числах Рейнольдса Re=1,05…2,1, и углах атаки a=400-160, определить основные аэродинамические характеристики (при этом фактическое аэродинамическое качество оказалось несколько выше расчетного), а также исследовать распределение воздушного давления на поверхности фюзеляжа и крыла, и характеристики теплообмена.
«БОР-5» изготавливался на ЭМЗ им. Мясищева при участии специалистов ЛИИ и НПО «Молния». Испытания обоих вариантов моделей ( «БОР-4» и «БОР-5») проводились представителями ЛИИ с участием специалистов военного испытательного института, НПО «Молния» и других организаций под руководством Госкомиссии, возглавляемой первым заместителем начальника Главного управления космических средств (ГУКОС) генерал-лейтенантом авиации Г. С. Титовым.
Постепенное свертывание, а затем и полное закрытие программы «Буран» не позволили провести интересные эксперименты по радиосвязи на плазменном участке спуска в атмосфере, для чего на базе «БОРа-4» был изготовлен «БОР-6» со специальными охлаждаемыми антеннами, вынесенными в набегающий поток.
После выполнения космических и суборбитальных полетов аппараты, находившиеся на балансе НПО «Молния», несколько лет подряд выставлялись в качестве экспонатов на различных выставках, включая международные, и некоторые их них постепенно «перекочевали» в экспозиции зарубежных музеев и в частные коллекции.
Полеты аналога«Спирали» и летательных аппаратов «Бор-4» и «Бор-5» позволили не только ускорить разработку «Бурана», но и обосновать выбор аэродинамической схемы орбитальной ступени перспективной Многоцелевой авиационно-космической системы (МАКС).
Источники:
http://ru.wikipedia.org
http://www.buran.ru
http://www.space.hobby.ru
Использованы трехмерные анимационные компьютерные модели с сайта http://www.buran.ru
http://www.chaltlib.ru/articles/resurs/jubilei_goda/god_ross...
