Автор: Тихонов Дмитрий Андреевич
Возраст: 18 лет
Место учебы: МБУДО Нововоронежский ДДТ
Город, регион: г. Нововоронеж, Воронежская область
Руководитель: Михайлов Алексей Николаевич, педагог дополнительного образования.

Роль авиации в развитии советской и российской космонавтики

План историко-исследовательской работы

Введение
Цель работы
Задачи для осуществления цели

1. Применение элементов авиации в советской и российской космонавтике

• Лётчики-космонавты.
• Самолёты для имитирования невесомости.
• Космопланы. Благодаря каким самолётам они появились.
• Крыло – как способ возврата на Землю ракетных блоков.

2. Почему проекты многоразовый авиационно-космических систем не получили развития.
3. Создание макетов авиационно-космических систем.

Заключение
Использованные источники информации.

Введение

Развитие космонавтики тесно связано с разработками в авиации. Все выдающиеся люди, которым обязаны советский и российский космос непосредственно связаны с авиастроением. Циолковский проводил опыты в аэродинамической трубе, проектировал дирижабли; Королёв был спортсменом-планеристом, проектировал планёры и лёгкие самолёты; Юрий Гагарин был военным лётчиком. Несомненно, что многие элементы авиации используются в космической сфере.

Цель работы

Целью моей работы является исследование применения элементов авиации в советской и российской космонавтике и оценка их эффективности.

Задачи для осуществления цели:

• Изучить применение элементов авиации в советской и российской космических программах.
• Выявить эффективность этих элементов.
• Проанализировать неосуществлённые проекты.
• Изучить российские перспективные разработки в сфере совмещения авиации и космонавтики.

Применение элементов авиации в советской и российской космонавтике

Лётчики-космонавты

Начнём с вопроса, кто по специальности были первые космонавты? Первые отряды космонавтов набирались исключительно из лётчиков-истребителей. Это обусловлено тем, что человек при выходе на орбиту испытывает колоссальные перегрузки. При этом, несмотря на высокую степень автоматизации космических систем, он должен тщательно следить за показателями приборов и при возникновении нештатной ситуации перейти на ручное управление. Условия работы лётчиков - истребителей во многом схожи с условиями работы космонавта. Поэтому именно они способны проявить себя с лучшей стороны в космосе. Забегая немного вперёд, стоит упомянуть, что с появлением ракетопланов от космонавтов стали требоваться профессиональные навыки пилотирования летательным аппаратом. Ракета стала больше похожа на самолёт, и для управления ею требовался в первую очередь лётчик.

Самолёты для имитирования невесомости

Как было упомянуто ранее, условия работы лётчиков - истребителей во многом схожи с условиями работы космонавта. Но космонавт сталкивается с работой в невесомости. Встаёт вопрос об имитировании этого процесса. При подготовке первого отряда космонавтов полёты на самолётах использовались для моделирования невесомости. Уже с первым отрядом космонавтов на аэродроме Чкаловский проводились ознакомительно-тренировочные полёты на самолёте УТИ-МиГ-15, переоборудованном для создания невесомости. Для её создания самолёт должен выполнить фигуру “горка”. Самолёт должен иметь постоянное ускорение равное ускорению свободного падения, направленное вниз. Этим создаётся нулевой вес всего, что находится на борту. В каждом полёте выполнялось по 3 горки. Время пребывания в невесомости на каждой “горке” 35-40 секунд, суммарное время составило 6-8 минут. В полётах изучались функции сердечно-сосудистой и дыхательной систем, координация движений, острота зрения.

Для тренировок космонавтов в условиях кратковременной невесомости был переоборудован самолёт Ту-104. Новая модификация самолёта-лаборатории Ту-105А отличался отсутствием в салоне кресел, на этом месте был образован “бассейн невесомости”. Внутреннюю часть салона обили поролоном, чтобы предупредить удары и ушибы при выводе самолета из параболы. В каждом полете самолет выполнял по 6 "горок", перерывы между которыми составляли 15 мин. Состояние невесомости продолжалось 25 - 28 с, а при вводе и выводе самолета из параболы создавались перегрузки 1,5±0,5 ед. Самолет был оборудован световой и звуковой сигнализацией. В переднем салоне разместили два стола, на которых укреплялась медицинская аппаратура для регистрации физиологических функций в условиях полета.  

В настоящее время для имитирования невесомости используется самолёт-лаборатория ИЛ-76МДК. На нём также возможно моделирование условий пониженной весомости, к примеру лунной и марсианской силы тяжести.

Космопланы. Благодаря каким самолётам они появились

Идея создания космоплана не давала покоя ещё С. П. Королёву. Он проектировал планёр с жидкостным ракетным двигателем РП-318.

Но поистине гением в сфере совмещения авиационный и космических технологий является Глеб Евгеньевич Лозино-Лозинский. Являясь главным конструктором ОКБ – 155 А. И. Микояна, в 1965 году он начал работу над проектом двухступенчатой воздушно – космической системы (ВКС) “Спираль”.

Спираль

Проект представляет собой орбитальный самолёт с ракетной ступенью, установленный на гиперзвуковом самолёте. Эта была одна из первых многоразовый транспортных космических систем.

Одноместный орбитальный самолёт длиной 8 м и шириной плоского фюзеляжа 4 м, выполненный по схеме "несущий корпус", имеющий сильно затупленную оперенную треугольную форму в плане. Стреловидное крыло самолета имеет отклоняющиеся вверх консоли крыла для исключения их прямого обтекания тепловым потоком на участке спуска. Возвращение космического аппарата происходило “по-самолётному”. Самолёт сходил с орбиты, входил в атмосферу и спускался по траектории спирали, используя крыло.  На нём был установлен жидкостный ракетный двигатель для выполнения маневра по изменению плоскости орбиты и выдачи тормозного импульса для схода с орбиты. Предусматривалось использование в вариантах дневного фоторазведчика, радиолокационного разведчика, перехватчика космических целей или ударного самолёта с ракетой класса "космос-Земля" и мог применяться для инспекции космических объектов. Масса выводимого на орбиту ИСЗ полезного груза составляла до 1300 кг. 

Гиперзвуковой самолёт разгонщик представлял собой самолет-бесхвостку длиной 38 м с треугольным крылом большой переменной стреловидности по передней кромке. Он был оборудован 2-местной герметичной кабиной экипажа. Для улучшения обзора "вперед-вниз" при посадке носовая часть фюзеляжа перед кабиной пилотов выполнена отклоняемой вниз на 50; впоследствии это конструктивное решение успешно использовалось при создании сверхзвуковых пассажирских самолетов первого поколения (советского Ту-144 и англо-французского "Конкорда") и стратегического ударно-разведывательного самолета Т-4 ("Сотка") разработки ОКБ П.О.Сухого. В верхней части самолёта в специальном ложе крепился собственно орбитальный самолет и ракетный ускоритель, носовая и хвостовая части которых закрывались обтекателями. В качестве топлива использовался сжиженный водород, двигательная установка - в виде блока четырех турбореактивных двигателей (ТРД) разработки А.М.Люлька. Самолет-разгонщик был первым гиперзвуковым летательным аппаратом с воздушно-рективными двигателями, который исследовался в ЦАГИ на скоростях до Мmax=4...6. 

Программа испытаний "Спирали" реализована в меньших масштабах: для исследования характеристик устойчивости и управляемости на разных этапах полета и оценки теплозащиты из высокопрочных жаростойких материалов до закрытия работ были построены аналоги ОС в трех комплектациях (аналог для исследований в полетах на дозвуковой скорости - имитация атмосферного участка захода на посадку при возвращении с орбиты - получил кодовое обозначение "105.11", на сверхзвуке - "105.12", на гиперзвуке - "105.13") и в условиях космического полета испытаны масштабные летающие модели серии "БОР".

Самолет-аналог "105.11" должен был стартовать в воздухе из-под фюзеляжа самолета-носителя, в который был переоборудован тяжелый стратегический бомбардировщик Ту-95КМ. Выбор Ту-95КМ в качестве носителя был не случаен, так как серийный Ту-95К ("ВК") являлся ракетоносцем, самолетом-носителем самолета-снаряда Х-20М, элементом стратегической авиационно-ракетной системы Ту-95К-20 (К-20). 27 октября 1977 года самолет-носитель Ту-95КМ, пилотируемый экипажем во главе с заместителем начальника службы летных испытаний бомбардировочной авиации подполковником Александром Обеловым (впоследствии генерал-майор авиации), на скорости 420 км/час сбросил аналог "105.11", пилотируемый Авиардом Фастовцом, с высоты 5500 метров перпендикулярно створу посадочной глиссады аэродрома. В дальнейшем в период 1977-78 годов состоялось еще 5 автономных полетов аналога "105.11". Три из них выполнил Авиард Фастовец, один - Герой Советского Союза, заслуженный летчик-испытатель СССР Петр Остапенко, и последний - Василий Урядов. Все полеты совершались после отцепок от самолета-носителя Ту-95 в горизонтальном полете на высоте 5500 м в диапазоне скоростей 420-460 км/час.

Но, несмотря на строгое технико-экономическое обоснование проекта, руководство страны интерес к проекту "Спираль" потеряло. Министр обороны А. А. Гречко ознакомился в начале 70-х гг. со "Спиралью", он выразился ясно и однозначно: "Фантазиями мы заниматься не будем".

Буран

12 февраля 1976 г. выходит секретное Постановление Правительства СССР о создании многоразовой космической системы “Энергия-Буран”. Несмотря на предложение НПО "Молния" применить схему орбитального самолёта "Спираль" в системе "Буран", головной разработчик системы НПО "Энергия" настоял на использовании компоновки, близкой к американскому "Шаттлу". Тем не менее, опыт работы над "Спиралью" значительно облегчил и ускорил создание "Бурана".

Орбитальный корабль (ОК) "Буран" выполнен по самолетной схеме: это "бесхвостка" с низкорасположенным треугольным крылом двойной стреловидности по передней кромке; аэродинамические органы управления включают элевоны, балансировочный щиток, расположенный в хвостовой части фюзеляжа, и руль направления, который, "расщепляясь" по задней кромке, выполняет также функции воздушного тормоза. Посадку "по-самолётному" обеспечивает трёхопорное (с носовым колесом) выпускаюшееся шасси. Космоплан выводился на орбиту с помощь ракеты-носителя “Энергия”. Буран предусматривал пилотируемые миссий, а также мог работать автономно.

Поскольку первый полет «Бурана» предполагался осуществить в автоматическом режиме, для отладки уникальной автоматизированной системой управления, первые полеты производились на летающей лаборатории - самолете Ту-154Б. Полеты на летающей лаборатории осуществлялись летчиками группы И.П. Волка. Самолет Ту-154Б имеет аэродинамические характеристики значительно выше, чем у «Бурана», поэтому, чтобы смоделировать глиссаду «Бурана», необходимо было «испортить» аэродинамические характеристики самолета Ту-154Б (выпускались шасси и интерцепторы, а также включался реверс тяги). Всего было выполнено порядка 200 полетов летающей лаборатории Ту-154Б по программе «Буран». Таким образом, производилась не только отработка действий летчиков группы И.П. Волка по пилотированию имитатора корабля «Буран» на самолете Ту-154ЛЛ, но и отработка захода на посадку, которая и была заложена в программу автоматической посадки «Бурана».

Для проведения горизонтальных лётных испытаний изготовили аналог «Бурана», на который установили четыре авиационных двигателя: два форсажных и два бесфорсажных. Стал он называться БТС‐002 – большой транспортный самолет, второй экземпляр.

В создании системы "Энергия" - "Буран" участвовали сотни крупных заводов, между которыми было распределено изготовление составных частей ракеты-носителя и планера орбитального самолета. Это создало серьезную проблему определения мест сборки и доставки этих частей к месту старта, на космодром. Было решено на космодроме проводить только окончательную сборку и предстартовую отработку, а основной объем сборочных работ выполнять на головных заводах. Для этих задач был модифицированы 3 стратегический бомбардировщика 3М. Модель стала называться ВМ-Т “Атлант”. Они выполнили более 150 полетов по перевозке грузов системы "Энергия-Буран". Опыт, полученный при их создании, оказался полезным для дальнейшего использования в перспективных авиакосмических программах. Позже совместно с ОКБ им. О.К.Антонова был проработан проект потребного для этого самолета-транспортировщика. На основе разработанного проекта была проведена модификация самолета Ан-124 и на его базе создан транспортный самолет Ан-225 "Мрия" грузоподъемностью до 225 тонн на внешней подвеске. Он впервые поднялся в воздух в декабре 1988 года, а в 1989 году осуществил транспортировку "Бурана" на авиационный салон в Ле-Бурже (Франция) и позднее - несколько демонстрационных полетов в Европу и Америку.

Свой первый и последний полёт корабль Буран совершил в 15 ноября 1988 года. В полностью автоматическом режиме он совершил 2 витка вокруг Земли и успешно приземлился спустя 205 минут. Это стало несомненным триумфом советской космонавтики, впервые в мире сумевшей посадить многоразовый космоплан в автоматическом режиме на землю. В последствие все дальнейшие работы были приостановлены. Лётный экземпляр Бурана находился в ангарах космодрома Байконур. 12 мая 2002 года в 09:40 по местному времени произошло Обрушение кровли в трёх пролётах монтажно-испытательного корпуса. Под обломками ракетоплан был полностью разрушен.

МАКС

Параллельно с разработкой системы “Энергия-Буран” велись опережающие научно-исследовательские работы по перспективным проектам космических транспортных систем и новым технология. Так был создан проект многофункциональной авиационно-космической системы МАКС. Работы над ним начались в 1985 году. Особенность этой системы является применение технологии “воздушный старт” (подобно проекту “Спираль”). На самолёте-разгонщике устанавливалась ракетная ступень в виде орбитального самолета со сменными целевыми модулями (в пилотируемом или беспилотном варианте) с внешним топливным баком, заполненным криогенными компонентами топлива. Ан-225 стал базой для проекта МАКС, где этот самолет выполнял одновременно роль подвижного стартового комплекса и первой ступени системы выведения. Основной особенностью этой системы является многоразовость её модулей (за исключением топливного бака). После отделения от самолёта-носителя орбитальный самолёт с установленным топливным баком использует собственные маршевые двигатели для выхода на орбиту. После использования бак сгорает в атмосфере. Выполнив миссию, самолёт, используя запас топлива, производит торможение маршевыми двигателями и входит в атмосферу Земли. Термостойкие щитки, выполненные из кварцевых волокон с наружным стекловидным покрытием, обеспечивают надёжную защиту от термического воздействия. После прохождения плотных слоёв атмосферы аппарат спланирует и произведёт посадку на аэродром. В проекте предполагалось использование наработок систем “Спираль” и “Энергия-Буран”.

Также планировалось на базе Ан-225 создать ещё более грузоподъёмный самолёт Ан-325. Ан-325 должен был иметь два дополнительных двигателя, которые должны были быть установлены на соответствующих внутренних креплениях двигателей. Это привело бы к созданию восьмимоторного самолета с шестью мотогондолами. Самолет так и не вышел за пределы стадии планирования. Проект МАКС, не смотря на все свои преимущества и возможности, был окончательно забыт после 1997 года. Но уже в 2000 году строились планы по возрождению его. По расчётам к 2006 году эта система могла начать выведение полезной нагрузки на орбиту. Этим планам не суждено было свершится.

Крыло – как способ возврата на Землю ракетных блоков

Энергия 2

Система “Энергия-Буран” являлась лишь частично многоразовой системой (ракета-носитель Энергия было одноразовой). Параллельно ей создавалась более совершенная ракета “Энергия 2”. Её главными особенностями были: большая грузоподъёмность по сравнению с первой модификацией ракеты, отсутствие возможности пилотируемого полёта (ракета работала автономно), а также полная многоразовость. Она состояла из центрального основного блока (2 ступень) и 4 ракетных ускорителей, закреплённых сбоку (1 ступень). Центральный блок представляет собой космоплан по схеме "бесхвостка" с низкорасположенным треугольным крылом двойной стреловидности по передней кромке (многие конструктивные элементы были позаимствованы с ракетоплана “Буран”). Крылатая вторая ступень, способна достичь орбиты с полезным грузом, осуществить планирующий спуск в атмосфере и посадку на аэродром стартового комплекса. Подобную схемы мы наблюдали в полёте Бурана.

 Но обратим внимание на блок первой ступени. Он представлял собой свободнонесущий моноплан с верхним расположением крыла. Крыло обеспечивало его полет в атмосфере "по самолетному" и посадку на аэродром стартового комплекса. Была выбрана конструкция поворотного крыла и складного оперения. Это было сделано для того, чтобы, с одной стороны, не оказывать существенного влияния на характеристики блоков при их работе в "пакете" в составе носителя и, с другой, - обеспечить на дозвуковой скорости при полностью развернутом крыле очень высокий уровень аэродинамического качества (до 17-19) и высокую несущую способность конструкции при посадке без использования механизации крыла. После расцепки с основным блоком они совершают баллистический полет протяженностью до 300 км на высоте, превышающей 80 км.

Проект ракеты “Энергия 2” так и остался на чертежах и макетах. Из-за своей новизны он был слишком дорог в создании. Но идеи, заложенные в нём, нашли применение в будущем.

Байкал

Байкал – проект российский многоразового ракетного ускорителя (МРУ), разработанный в ГКНПЦ им. Хруничева. Основная идея проекта заключается в том, чтобы выполнивший задачу ракетный ускоритель, отделившись от ракеты-носителя вернуться в точку старта “по самолётному”. Очевидно, что идея создания такого проекта была навеяна нереализованной “Энергией 2”. Ускоритель будет вновь иметь поворотное крыло, но меньшего удлинения. Хвостовое оперение нормальной схемы и статично. Ускоритель может использоваться совместно с семейством ракет-носителей “Ангара” лёгкого, среднего, тяжёлого класса, так и с другими ракетными комплексами.   Впервые этот проект в качестве макета был представлен на 43-м салоне Ле Бурже в 1999 году. А уже в 2001 году вновь на Ле Бурже был представлен технологический макет российского многоразового ускорителя "Байкал". Но далее существенного развития не последовало. Лишь в 2019 год был защищён аванпроект “Крыло СВ”. В его основу легла конструкция МРУ «Байкал». Проект на данный момент на стадии разработки лётного демонстранта. Первые лётные испытания планировалось провести в 2020 году. Но на момент написания данной работы серьёзных продвижений в этом проекте не произошло.

Почему проекты многоразовый авиационно-космических систем не получили развития

Проекты космопланов и многоразовых ракетных ступеней по истине грандиозны. В каждый из них мог бы в корне перевернуть космонавтику нашей страны. Казалось бы, с такими системами мы могли бы стать лидером по количеству запусков и массе выводимого на орбиту груза. Но как можно увидеть работы по проектам многоразовых авиационно-космических систем были либо свёрнуты в самом разгаре, либо системы так и не выходили за рамки чертежей. Почему же? По моему мнению этому есть несколько причин.

Во – первых, инновационность вышеупомянутых проектов требует долгих научных исследований. В конструкции подобных систем использованы технологии, которые нуждаются в изучений. Проектирование на бумаге, моделирование, продувка моделей аэродинамических трубах, создание полноразмерных макетов, проработка бортовой вычислительной системы, испытание инновационных конструкций, лётные испытания прототипов – это лишь малая часть этапов воплощения этих проектов. Это требует мощной научно – технической базы, которой кстати в большинстве своём мы обладаем за счёт наследия систем “Спираль” и “Энергия - Буран”. Но стоит помнить, что эти системы до сих пор ощущаются, как “гости из далёкого будущего”. И для их реализации нужна серьёзная государственная заинтересованность и крупное финансирование. Так, мы переходим к следующей причине.

Во – вторых, одной из причин закрытия проектов Буран, МАКС, Энергия 2 является время, когда эти проекты разрабатывались. Тяжёлое экономическое положение нашей страны на рубеже восьмидесятых и девяностых годов двадцатого века: перестройка, распад СССР, сокращение финансирования космонавтики в послесоветской России. Всё это повлекло к забвению тех уникальных систем.

В – третьих, космическая отрасль нашей страны основана на использовании одноразовых ракет-носителей. За долгие годы они показали свою надёжность. Но с другой стороны, они сделали очень сложным переход к многоразовым системам. Поэтому мы потеряли заинтересованность в этих системах. Но стоит отметить, что в последние годы, заинтересованность в многоразовых космических системах выросла.

Создание макетов авиационно-космических систем

Создание макета – одна из важнейших стадий разработки любого проекта. В авиации и космонавтике он особенно важен. К примеру, модель самолёта или космического корабля обязательно продувают в аэродинамической трубе. Эти испытания могут проводится как с макетами в масштабе, так и – в натуральную величину. Данные, полученные по итогам этих исследований очень ценны для дальнейшей проработки техники. Допустим в рамках проекта “Энергия - Буран” произведено огромное количество разнообразных моделей, которые сейчас хранятся в ЦАГИ.

Создать макет авиационно-космической системы в масштабе, которая будет повторять внешние качества, можно, используя пенопласт.

Мною были созданы модели космоплана “Буран” и МАКС. Модели выполнены из потолочной плитки, подложки под ламинат и пеноплекса. Для соединения деталей использовался клей “Титан”. Модели были окрашены в соответствии с реальными образцами.

Заключение

На основании моего исследования можно сделать следующие выводы:

• Во многом советская и российская космонавтика выросла из авиации.
• Лучшие лётчики-истребители смогли стать первыми героическими космонавтами.
• Благодаря авиации стало возможно смоделировать невесомость и подготовить первых космонавтов к работе в космосе.
• Совмещение авиационных и космических технологий привело к созданию грандиозных советских космопланов, успехов которых не повторила не одна страна.
• Благодаря самолётам стали возможны автономные полёты космопланов.
• Авиация позволила транспортировать массивные составные части ракетных комплексов для их общей сборки.
• Самолёты позволили обеспечить технологию “Воздушный старт”.
• Использование крыла и хвостового оперения на ракетных ускорителях позволило их сделать многоразовыми.

Широкое применение авиационных технологий в космонавтике говорит об эффективности этой методики. В будущем она позволит создать ещё более инновационные космические системы.

Использованные источники информации

1. А. Генин, Н. Гуровский, Почему первыми космонавтами стали лётчики-истребители? // "Авиация и космонавтика" 1962 №2, c.39-41.
2. П.Н. Власов, М.М. Харламов, А.А. Курицын, В.Е. Фокин, В.Г. Сорокин,В.Н. Кислицын, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ  В ПРОЦЕССЕ ПОДГОТОВКИ КОСМОНАВТОВ  К ВЫПОЛНЕНИЮ КОСМИЧЕСКОГО ПОЛЕТА // Идеи и новации. 2018. Т. 6, № 3.Комов А.А. , САМОЛЕТ ТУ-154 И ПРОГРАММА «БУРАН» // Московский государственный технический университет гражданской авиации 2018  с 215-217
3. А.С. Бородай, ИСТОРИЯ ИСПЫТАНИЙ ОРБИТАЛЬНОГО КОРАБЛЯ «БУРАН» // Идеи и новации. 2018. Т. 6, № 3 
4. Н.А. Кушнарев, В.А. Скороделов, В.М. Львов, А.Г. Кармалеев, МНОГОЦЕЛЕВАЯ АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА И ЭРГОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ БЕЗОПАСНОСТИ ПОЛЕТОВ И ГРУЗОПАССАЖИРСКИХ ПЕРЕВОЗОК // ЧЕЛОВЕЧЕСКИЙ ФАКТОР: ПРОБЛЕМЫ ПСИХОЛОГИИ И ЭРГОНОМИКИ 2003 с 73-78.
5. Освоение невесомости // Авиабаза URL: https://www.airbase.ru/books/authors/rus/k/kasian-i-i/first_steps/6/
6. Воздушно-орбитальный самолет (ВОС) "Спираль" // Космический корабль Буран URL: http://buran.ru/htm/spiral.htm
7. Многоразовый орбитальный корабль (по терминологии Минавиапрома - орбитальный самолет) "Буран" // Космический корабль Буран URL: http://buran.ru/htm/mtkkmain.htm
8. Проект многоцелевой авиационно-космической системы МАКС (СССР) // Космический корабль Буран URL: http://buran.ru/htm/maxmain.htm
9. “Байкал”, покоривший Париж // Космический корабль Буран URL: http://buran.ru/htm/strbaik.htm