«Холод»
гиперзвуковая летающая лаборатория

     6 марта 1979 г., Комиссия Президиума Совета Министров СССР по военно-промышленным вопросам утвердила комплексный план научно-исследовательских работ по применению криогенного топлива для авиационных двигателей. Основной задачей этого плана было создание самолетов с силовыми установками, работающими на жидком водороде и сжиженном природном газе. Предусматривалась разработка и летательных аппаратов со сверхзвуковыми и гиперзвуковыми скоростями полета. План охватывал решение большого круга вопросов - от поиска наиболее аффективных способов промышленного производства криогенных топлив до создания опытных образцов и моделей газотурбинных двигателей и гиперзвуковых прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ГПВРД). К работе были подключены Академия наук СССР, Минавиапром, ряд ОКБ и заводов. Головной организацией в части разработки и испытаний двигателей на криогенном топливе для высокоскоростных самолетов был утвержден ЦИАМ им. Л.И.Баранова.
    Более 30 лет назад началась разработка первых вариантов гиперзвуковых прямоточных воздушно-реактивных двигателей, предназначенных для использования при скоростях полета, в шесть и более раз превышающих скорость звука. Важнейшей особенностью ГПВРД является горение топлива в сверхзвуковом потоке воздуха. Поскольку на наземных стендах все условия гиперзвукового полета принципиально невоспроизводимы, потребовались летные эксперименты. Их программа обсуждалась параллельно с выполнением первых теоретических оценок возможности реализации цикла ГПВРД. В США предполагалось провести летные испытания ГПВРД на уникальном исследовательском самолете X-15, разгонявшемся до шестикратной скорости звука ракетным двигателем. Идея осталась неосуществленной, предназначенный для испытаний Х-15A-2 разбился в ноябре 1967 г. за несколько дней до запланированного полета с работающим ГПВРД. Советская программа началась в семидесятые годы. В отличие от американцев, решено было использовать зенитные ракеты, разработанные и серийно выпускавшиеся Химкинским КБ "Факел". Реализация программы продвигалась не так быстро, как хотелось бы, из-за дефицита средств и начавшихся "перестроек".
   Первое в мире летное испытание гиперзвукового ПВРД состоялось только 28 ноября 1991 г. Испытания проводились на полигоне Сары-Шаган в Казахстане у озера Балхаш.
    Неизменным идеологом и руководителем всей программы летных испытаний ГПВРД был ЦИАМ. Для летных испытаний ГПВРД была создана специальная гиперзвуковая летающая лаборатория (ГЛЛ) «Холод» - по существу, летающий стенд со всеми необходимыми автоматическими системами: подачи топлива, управления режимами испытаний, измерения параметров ГПВРД.
    ГЛЛ «Холод» создана на базе зенитной ракеты 5В28 комплекса С-200В (SA-5), разработанной в Химкинским КБ "Факел" под руководством генерального конструктора П.Д. Грушина. Выбор этой ракеты обуславливался тем, что параметры траектории ее полета были близкими к необходимым для летных испытаний ГПВРД. Немаловажным считалось и то, что эта ракета снималась с вооружения, и ее стоимость была низкой.
    Боевая часть ракеты была заменена головными отсеками ГЛЛ «Холод», в которых размещались система управления полетом, емкость для жидкого водорода с системой вытеснения, система регулирования расхода водорода с измерительными устройствами и, наконец, экспериментальный ГПВРД Э-57 осесимметричной конфигурации.
    Первоначально концепция и конструкция экспериментального ГПВРД были разработаны ЦИАМ и Тураевским КБ "Союз". Последний вариант конструкции выполнен Воронежским КБХА и ЦИАМ. Бортовая система регулирования подачи водорода в камеру сгорания по траектории полета представлена МАКБ «Темп». К разработкам и испытаниям были привлечены ЦАГИ, ВИАМ, ЛИИ, МОКБ «Горизонт», НПО «Криотехника», полигонные службы Министерства обороны. Для заправки бортовой емкости ГЛЛ жидким водородом на стартовой позиции в полевых условиях в ЦИАМ был разработан передвижной заправочный комплекс на базе серийного заправщика ЦТВ-25/6.
    Экспериментальный ГПВРД предназначен для работы в диапазонах чисел Маха полета Мп = 3,5...6,5 и высот Н = 15...35 км.
    К 1999 г. в общей сложности проведено семь полетов. Первые два полета с габаритно-весовыми макетами головных отсеков по программе летно-конструкторских испытаний позволили отладить новую систему управления ракеты для обеспечения требуемой траектории В пяти полетах использовался реальный ГПВРД с подробной препарировкой проточного тракта камеры сгорания. В трех полетах в камеру сгорания ГПВРД подавался жидкий водород.
    Время работы ГПВРД в полете увеличивалось от одного испытания к другому и в последнем составило 77 с, соответствующее максимальному времени полета ракеты комплекса С-200. Максимальная достигнутая скорость полета ГЛЛ «Холод» составила 1855 м/с, что соответствует числу Маха М=6,49. Установлено, что работоспособность камеры сгорания сохранилась после ее выключения
    На участке типовой траектории разгона до числа Мп = 6,5 продемонстрирована работоспособность водородных ГПВРД. При этом на входе в ГПВРД воспроизводились реальные условия полета с естественным уровнем турбулентности и структурой потока невозмущенной атмосферы.
    Анализ режимов течения и горения в проточном тракте ГПВРД производился на основе информации, полученной в полете от датчиков, измерявших параметры в многочисленных точках проточного тракта. Как показала обработка полученной информации, на большей части длины тракта скорость потока соответствовала числу Маха в диапазоне 1...1,5. Соответственно, полнота сгорания на режиме сверхзвука находилась в диапазоне 0,7...0,9. В ходе последнего испытательного полета полнота сгорания на режиме сверхзвукового горения составила 0,83 при коэффициенте избытка воздуха 0,85. Регистрация параметров в проточном тракте позволила провести идентификацию и верификацию математических моделей, описывающих газодинамику проточного тракта ГПВРД.
    По результатам последнего полета была оценена тяга ГПВРД. Так как в процессе полета дважды включалась и выключалась подача водорода в ГПВРД, то, соответственно, изменялось и осевое ускорение ракеты. При известной массе ракеты сила тяги могла быть определена по элементарной формуле.
    Все испытания проходили на полигоне у озера Балхаш при поддержке правительства и Академии Наук Казахстана. В гиперзвуковых летных экспериментах принимали непосредственное участие ученые Казахского Государственного университета (КазГНУ) и Национального центра радиоэлектроники и связи (НЦРЭС). Три из пяти экспериментов проведены при непосредственном участии и частичном финансировании национальных научных центров Франции (ONERA, Aerospatiale, SNECMA-SEP) и США (NASA). Так 17 ноября 1992 года проведены испытания двигателя по совместной программе исследований с французским центром ONERA (Office National d 'Etudes el de Recherches Aerospatiales).
    Таким образом в ходе летных испытаний было:

• получено длительное время работы ГПВРД - более 77 с при сохранении работоспособности камеры после выключения;
• в процессе летных испытаний камера сгорания работала на предельных режимах по температуре стенки с реализацией процесса горения при дозвуковой и сверхзвуковой скоростях потока в тракте;
• по результатам измерений параметров рабочего процесса ГПВРД и траектории полета ГЛЛ "Холод" определены: тяга ГПВРД, удельный импульс тяги и коэффициент полноты сгорания в камере;
• проведена идентификация математической модели рабочего процесса ГПВРД с учетом химических реакций горения водорода в проточном тракте камеры сгорания.

    И хотя конструкция камеры сгорания ГПВРД и технология ее производства непрерывно совершенствовались от полета к полету, дальнейшее развитие программы исследований водородных ГПВРД тесно увязано с разработкой ГЛЛ второго поколения. Она предназначается для проведения фундаментальных исследований проблем гиперзвукового полета применительно к разработкам воздушно-космических самолетов. Это будет небольшой гиперзвуковой планер, разгоняемый баллистической или космической ракетой. Такая ГЛЛ (Х-43A Hiper-X) создается в США. До проведения ее летных испытаний американцы были вынуждены покупать наши результаты: эксперимент с ГЛЛ "Холод" в 1998 г. проводился по контракту с NASA.
    Над созданием перспективной российской ГЛЛ «Игла» («Холод-2») работают предприятия авиакосмической отрасли: ЦИАМ, ЛИИ, ЦНИИ-маш, ЦАГИ, КБХА, организации Академии Наук РФ, ОКБ ракетной техники, а так же организации Минобороны и других отраслей промышленности. Имеются предварительные договоренности с зарубежными фирмами о международном сотрудничестве в осуществлении этого проекта. Несмотря на сложную ситуацию в нашей стране в настоящее время активную позицию в реализации проекта перспективной ГЛЛ заняли Министерство науки и технологий РФ и Российское космическое агентство.

Помогали:

• M.Jerdev

Источники информации:

1. Огнедышащий "Холод" / А. Рудаков, В. Семенов, М.Строкин, "Двигатель" #2-1999 /
2. Беспилотные летательные аппараты / Невский бастион, 2.1999 /
3. Летные испытания водородных гиперзвуковых прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ГПВРД) в составе гиперзвуковой летающей лаборатории / ЦИАМ /
4. ГПВРД КБХМ-ЦИАМ проект «Холод» / Авиабаза =Kron= /