ДВУХСТУПЕНЧАТЫЙ РАКЕТНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ

Блок выведения представляет собой одноразовую двухступенчатую ракету-носитель, расположенную в "полуутопленном" положении в ложементе "на спине" ГСР. Для ускорения разработки аванпроектом предусматривалась разработка промежуточного (на топливе водород-кислород, H₂+O₂) и основного (на топливе водород-фтор, H₂+F₂) вариантов ракетного ускорителя.
При выборе топливных компонентов проектировщики исходили из условия обеспечения вывода на орбиту возможно большего полезного груза. Жидкий водород (H₂) рассматривался как единственный перспективный вид горючего для гиперзвуковых воздушных аппаратов и как один из перспективных горючих для ЖРД, несмотря на его существенный недостаток - малый удельный вес (0,075 г/см³). Керосин в качестве топлива для ракетного ускорителя не рассматривался.
В качестве окислителей для водорода могут быть кислород и фтор. С точки зрения технологичности и безопасности кислород более предпочтителен, но его применение в качестве окислителя для водородного топлива приводит к значительно большим потребным объемам баков (101 м³ против 72,12 м³), то есть к увеличению миделя, а, следовательно, лобового сопротивления самолета-разгонщика, что уменьшает его максимальную скорость расцепки до М=5,5 вместо М=6 при фторе. При выборе фтора в качестве окислителя для ракетного ускорителя сыграл свою роль и тот фактор, что при применении фтора (расчетный удельный импульс 460 сек) выводимая на орбиту полезная нагрузка составляе10% от взлетного веса системы, а при применении кислорода (удельный импульс 455 сек) - только 7,5-8%.

Общая длина ракетного ускорителя (на фторо-водородном топливе) 27,75 м, включая 18,0 м первой ступени с донным стекателем и 9,75 м второй ступени с полезной нагрузкой - орбитальным самолетом. Вариант кислородно-водородного ракетного ускорителя получился на 96 см длиннее и на 50 см толще.
Основные параметры вариантов ракетного ускорителя приведены в таблице. В аванпроекте предполагается, что фтороводородный ЖРД тягой 25 т для оснащения обеих ступеней ракетного ускорителя будет разрабатываться в ОКБ-456  В.П.Глушко на базе отработанного ЖРД тягой 10 т на фторо-аммиачном (F₂+NH₃) топливе (впоследствии в открытой печати этот двигатель получил наименование РД-301).
Отличительной чертой двухступенчатого ракетного ускорителя является наплыв размахом 3,5 м, который является конструктивным продолжением фюзеляжа ОС и располагается на всей длине ракетного ускорителя, фактически превращая ускоритель в двухступенчатую крылатую ракету-среднеплан. Наплыв служит для облегчения процесса отделения (расцепки) ускорителя от ГСР, создавая, подобно крылу сверхмалого удлинения, дополнительную "отрывающую" подъемную силу.
Первая ступень ракетного ускорителя оснащена четырьмя ЖРД тягой по 25 тс каждый. На этапе полета ускорителя в составе ГСР выступающая часть сопла каждого ЖРД закрывается коническим обтекателем, а донный срез ступени для уменьшения аэродинамического сопротивления закрывается сбрасываемым обтекателем-стекателем. Корпус первой ступени образован несущими баками для компонентов топлива (окислитель F₂ спереди, топливо H₂ - сзади), имеющих общую совмещенную гермостенку.
Вторая ступень ускорителя имеет сложную не осесимметричную компоновку, обусловленную утопленным положением орбитального самолета внутрь внешнего контура ступени. Фактически топливная арматура ступени, включая бак с топливом, "размазан" вокруг хвостовой части орбитального самолета. Основу силовой схемы второй ступени составляет силовая рама, на которую снизу (в стартовом положении ГСР при соответственно горизонтальном положении ступени - сзади) крепится маршевый ЖРД тягой 25 т, а сверху (соответственно спереди) - на разрывных связях - орбитальный самолет. Вокруг ЖРД расположен тороидальный топливный (H₂) бак. Под орбитальным самолетом (при горизонтальном положении ступени) расположен конформный бак с окислителем (F₂). Носовая часть и "спина" орбитального самолета на этапе полета с ГСР закрыты сбрасываемыми обтекателями.

ГИПЕРЗВУКОВОЙ САМОЛЕТ-РАЗГОНЩИК 

ГСР представлял собой самолет-бесхвостку длиной 38 м с треугольным крылом большой переменной стреловидности по передней кромке типа «двойная дельта» (стреловидность 80 градусов в зоне носового наплыва и передней части и 60 градусов в концевой части крыла) размахом 16,5 м и площадью 240,0 м2 с вертикальными стабилизирующими поверхностями –

килями (площадью по 18,5 м2) – на концах крыла. Крыло набрано сверхтонкими ромбовидными профилями с переменной относительной толщиной от 2,5% у корня до 3% на конце. Уп-равление ГСР осуществлялось с помощью рулей направления на килях, элевонов и посадочных щитков. Для увеличения путевой устойчивости на гиперзвуке в хвостовой части был дополнительно установлен складываемый на взлетно-посадочных режимах подфюзеляжный гребень. Самолет-разгонщик был оборудован 2-местной герметичной кабиной экипажа с катапультируемыми креслами. Для улучшения обзора «вперед-вниз» при посадке носовая часть фюзеляжа перед кабиной пилотов выполнена отклоняемой вниз на 5 градусов. Позже аналогичное конструктивное решение успешно использовалось при создании сверхзвуковых пассажирских самолетов первого поколения

(Ту–144) и стратегического ударно-разведывательного самолета Т–4.Взлетая с разгонной тележки, для посадки ГСР использует трехопорное шасси с носовой стойкой, выпускаемой в поток в направлении «против полета», оборудованной спаренными пневматиками. Основная стойка оснащена двухколесной тележкой с тандемным расположением колес размером для уменьшения требуемого объема в нише шасси в убранном положении.В верхней части ГСР в специальном ложе крепился собственно орбитальный самолет и ракетный ускоритель,носовая и хвостовая части которых закрывались обтекателями. На ГСР в качестве топлива использовался сжиженный водород, двигательная установка – в виде блока четырех турбореактивных двигателей (ТРД) диаметром 1250 мм разработки А.М.Люлька тягой на взлете по 17,5 т каждый, имеющих общий воздухозаборник и работающих на единое сверхзвуковое сопло внешнего расширения с вертикальным клином.

   При массе пустого в 36 т ГСР мог принять на борт 16 т жидкого водорода (213 м3), для размещения которого отводилось 260 м3 внутреннего объема. Особенностью двигателей являлось использование паров водорода для привода турбины, вращающей компрессор ТРД. Испаритель водорода находился на входе компрессора. Таким образом, была успешно решена проблема создания силовой установки без комбинирования ТВРД, ГПРД и ТРД.

   Как свидетельствовал позднее Г.Е.Лозино-Лозинский, «…альтернативные варианты ГСР прорабатывались с другими видами силовых установок, однако до проекта,достаточно глубоко проработанного, дело так и не дошло».«Водородный» ТРД был уникален —наша промышленность ни до, ни после этого ничего похожего не делала— экспериментальные образцы подобных двигателей впоследствии разрабатывались лишь в Центральном институте авиационного моторостроения (ЦИАМ) и ни разу не доводились до постройки хотя бы опытного образца.

   Техническое задание на создание ТРД получило ОКБ-165 А.М.Люльки (ныне - НТЦ имени А.М.Люльки в составе НПО «Сатурн»). Тому были свои причины. В ОКБ функционировал мощный перспективный отдел.Его начальником в то время был А.В.Воронцов. В состав отдела входили перспективно-расчетный отдел (начальник Ю.Н.Бычев, в его подчинении находилось около 15 сотрудников) и перспективно-конструкторский отдел (начальник К.В.Кулешов;численность этого отдела была на два-три человека больше).Двигатель получил индекс АЛ—51(в это же время в ОКБ-165 разрабатывался ТРДФ третьего поколения АЛ—21Ф, и для нового двигателя индекс выбрали «с запасом», начав с круглого числа «50», тем более что это же число фигурировало в индексе темы). В первые дни, когда ОКБ Архипа Люльки только получило техническое задание на двигатель и его схема была не ясна, из ЦИАМа приехал С.М.Шляхтенко (через год он стал начальником института) с неким иностранным журналом (возможно,Flight или Interavia), в котором была опубликована схема «испытанного в США ракетно-турбинного пароводородного двигателя (РТДп)». Судя по небольшой сопроводительной статье, двигатель имел весьма привлекательные характеристики, в т.ч. очень высокий удельный импульс. Шляхтенко возбужденно потрясал журналом и восклицал: «Смотрите — они уже и сделали, и испытали, и полетит не сегодня-завтра! А мы чем хуже?» Конструкторы приняли вызов. Первые же проработки показали, что действительно схема очень привлекательная и параметры получаются просто фантастические. На базе вспыхнувшего энтузиазма довольно быстро «нарисовали» Головной том технического проекта, который был подписан в 1966 г. и отправлен в ОКБ-155 Г.Е.Лозино-Лозинскому. В дальнейшем проект постоянно дорабатывался. Можно сказать, что он находился в состоянии «перманентной разработки»: постоянно вылезали какие-то неувязки, и все приходилось «доувязывать».В расчеты вмешивались реалии жизни — существующие конструкционные материалы, технологии, возможности заводов и т.д. В принципе,на любом этапе проектирования двигатель был работоспособен, но не давал тех характеристик, которые хотели получить от него конструкторы. «Дотягивание» шло в течение еще пяти-шести лет, до начала 1970-х,когда работы по проекту «Спираль»были закрыты.

   Предельные тяговые характеристики газотурбинного воздушно-реактивного двигателя традиционной схемы диктует температура газа перед турбиной: если она выше температуры плавления материала лопаток, то турбина просто сгорит. А из предельной температуры газа на турбине естественным образом можно получить предельную скорость полета аппарата с такой силовой установкой:чем быстрее летишь, тем горячее воздух в воздухозаборнике и перед компрессором. Перейти на «двигатель комбинированного цикла» (т.е. до определенной скорости он работает как ТРД, а затем газотурбинный тракт закрывается, и двигатель переходит на режим «прямоточки») тогда не решились.Фактически разработчики планировали создать «обычный» турбокомпрессорный «движок», но только разогнать его до предельных характеристик. «Вылизыванием» идеальных характеристик в данном случае не занимались: экономичность у ТРДФ столь велика по сравнению с ЖРД,что даже если газотурбинный двигатель будет хуже идеала в 2 раза, то он все равно будет все еще впятеро экономичнее ракетного.При «тогдашних» конструкционных материалах в ТРДФ могли обеспечить нормальное сгорание в камере и разницу температур между воздухозаборником и турбиной в диапазоне скоростей до М=4. В принципе, даже сейчас эта граница поднялась не сильно: при использовании самых совершенных технологий - керамики,композитов, охлаждаемых лопаток турбины - ее можно приподнять еще,скажем, до М=5, не больше. Для керосина это предел. Водород же хорош тем, что у него гигантский охлаждающий потенциал, который можно использовать для охлаждения воздуха в воздухозаборнике (во-первых) и лопаток турбины (во-вторых).В проекте паровоздушного двигателя РТДп даже этого не нужно было делать: двигатель отличался от классического турбореактивного тем, что его турбина убрана из газовоздушного тракта, ее вращает горячий водород, а она, в свою очередь, приводит во вращение компрессор,который подает воздух в камеру сгорания. Поскольку горячий водород берется из теплообменника (который либо выставлен в воздухозаборник, в горячий поток набегающего воздуха, либо вписан в камеру сгорания), основная проблема РТДп была не в каких-то экзотических конструкционных материалах, а в эффективном теплообменнике. Он должен быть спроектирован так, чтобы не очень загромождать воздухозаборник и не создавать больших аэродинамических потерь, но в то же время обеспечивать прогрев водорода. Собствен-но, исследования в этой области велись и ведутся все эти годы, но манящий конструкторов «идеальный» теплообменник пока так и не разработан.Нужно отметить, что сложности разработки пароводородной силовой установки были видны с самого начала. В частности, в заключении ЛИИ им. М.Громова по аванпроекту,подписанном 20 июня 1966 года, отмечается:«…При расчете комплекса были приняты наиболее перспективные значения удельных параметров силовых установок, выбранных с учетом дальнейшего развития газовой динамики и накопления опыта создания высокотемпературных газотурбинных двигателей и водородных ЖРД

 .В процессе создания орбитального комплекса «Спираль» должны быть решены следующие задачи:

— создание пароводородного двигателя новой схемы и ЖРД, работающего на водороде;

— разработка и создание эффективной теплоизоляции топливных баков;

— разработка систем охлаждения элементов силовой установки турбокомпрессора и его ходовой части;

— разработка и создание топливо-подающей и топливорегулирующей аппаратуры на большие объемные расходы жидкого водорода с низкой температурой».

А в заключении ЦИАМ прямо сказано, что:

«…Заявленные основные данные,высотно-скоростные, дроссельные и весовые характеристики одноконтурного ракетно-турбинного двигателя могут быть получены при условии реализации высокого уровня совершенства элементов конструкции. Использованные в расчетах ко- эффициенты, определяющие потери энергии по тракту, к.п.д. охлаждаемого компрессора и многоступенчатой турбины и др., определяющие габаритные и весовые данные двигателя, требуют экспериментального подтверждения. Предлагаемые двигатели являются двигателями принципиально новой схемы. Экспериментальные данные по этим двигателям и отдельным узлам в настоящее время у нас практически отсутствуют. Поэтому созданию двигателя должен предшествовать большой объем расчетно-конструктивных и экспериментальных исследований в

направлениях:

1. Оптимизации схем (пароводородные, водородо-воздушные, комбинированные, безредукторные и др.) и параметров рабочего процесса.

2. Экспериментального исследования водородо-воздушных теплообменных агрегатов и систем охлаждения основных теплонагруженных элементов двигателя.

3. Выбор типа, исследования и разработки многоступенчатых газовых и пароводородных турбин и др.»Двигатель для промежуточного варианта ГСР, работающий на керосине, проектировало ОКБ–300 (с 1966г. Московский машиностроительный завод «Союз»; до 1973 г. его возглавлял С.К.Туманский, а затем О.Н.Фаворский. Ныне предприятие носит наименование АМНТК «Союз». Это КБ в свое время прославилось разработкой самого «быстрого» отечественного ТРДФ Р15Б–300 для истребителя-перехватчика МиГ–25.).

Новая разработка получила индекс Р39–300. Работами руководил,скорее всего, Григорий Львович Лифшиц, в то время – первый заместитель генерального конструктора ОКБ–300. Техническое предложение (к сожалению, оригинал этого документа был уничтожен в начале 1980-х годов) на двигатель было выдано разработчикам «Спирали» (заказчику) в 1966 г. После закрытия темы «Спираль» работы по данному двигателю в ОКБ–300 продолжения не имели: кроме гиперзвукового разгонщика «Спирали» ему не было другого применения.

Вторым принципиальным новшеством ГСР являлся интегрированный регулируемый гиперзвуковой воздухозаборник, использующий для сжатия практически всю переднюю часть нижней поверхности крыла и носовую часть фюзеляжа. Впоследствии Лозино-Лозинский вспоминал:«Когда мы по-настоящему влезли в работу над первой ступенью, у нас возник новый взгляд на проектирование самолетов. Мы поняли, что необходимо гармоническое сочетание –подобно звукам в аккорде – всех его компонентов и свойств. Если раньше облик летательного аппарата определялся аэродинамикой, то теперь,проектируя наш разгонщик, мы стремились интегрировать аэродинамику и силовую установку, представляя их как нечто единоеТорможение набегающего потока начиналось на расстоянии 10,25 м до воздухозаборника за счет специально спрофилированной нижней поверхности фюзеляжа, наклоненной к потоку под углом атаки 4 градуса. На расстоянии 3,25 м (в продольном направлении) до воздухозаборника нижняя поверхность фюзеляжа увеличивает местный угол атаки на 10 градусов - эту точку можно считать началом горизонтально расположенной поверхности (клина)торможения собственно воздухозаборника. На расстоянии 1,27 м до нижней «губы» воздухозаборника клин торможения вновь увеличивает угол атаки еще на 10 градусов. Нижняя «губа» воздухозаборника расположена на расстоянии 1,255 м эквидистантно нижней поверхности фюзеляжа.

Преодоление теплового барьера для ГСР обеспечивалось соответствующим подбором конструкционных и теплозащитных материалов.В ряде поздних публикаций указана возможность разработки в дальнейшей перспективе на базе ГСР «6–махового» пассажирского самолета.Однако аванпроект не упоминает никакого «гражданского» использования гиперзвукового самолета-разгонщика, а для военных целей предусматривалось автономное применение только в качестве дальнего гиперзвукового стратегического самолета-разведчика.ГСР-разведчик в «керосиновом» варианте силовой установки должен был иметь максимальную скорость М=4,0-4,5 и дальность (при М=4,0) до 6000-7000 км, а использование водородного топлива позволяло достичь максимальных скорости М=6,0 и дальности 12000 км (при крейсерской скорости М=5,0).

     В заключении ЦАГИ по аванпроекту, подписанному В.М.Мясищевым 20 июня 1966 г., отмечается, что накопленный при разработке ГСР «Спираль» опыт впоследствии позволит обеспечить разработку гиперзвуковых транспортных и пассажирских самолетов.Самолет-разгонщик был первым гиперзвуковым летательным аппаратом с воздушно-рективными двигателями, который исследовался в ЦАГИ на скоростях до М =4-6. Два варианта модели прошли полный цикл аэродинамических исследований в аэродинамических трубах ЦАГИ в 1965-1975 гг. Наиболее существенной частью этой работы были исследования по методике испытаний моделей с протоком воздуха через мотогондолы силовой установки на гиперзвуковых скоростях полета (Костюк К.К, Табаньков В.Е., Кутухин В.П.). Результаты многочисленных трубных исследований подтвердили правильность выбора основных конструктивных решений.На 40-м конгрессе Международной астронавтической федерации (FAI), проходившей в 1989 году в Малаге (Испания), представители американского Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) дали самолету-разгонщику высокую оценку, отметив, что он «проектировался в соответствии с современными требованиями».