Решетчатые крылья или полипланные несущие системы

В середине 1950-х годов группа ученых под руководством профессора С. М. Белоцерковского начала развивать новое научное направление в авиации и ракетостроении — полипланные несущие системы, так называемые решетчатые крылья. Они стали полноправными конструктивными элементами боевых ракет, космических кораблей и других технических объектов. В решетчатых крыльях удачно сочетаются высокие аэродинамические, прочностные, весовые и технологические качества, это открывает хорошие перспективы для их использования в технике будущего.

В 1955 году молодые ученые академии Жуковского и филиала Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ) образовали не предусмотренный никакими штатными расписаниями неформальный творческий коллектив. Они занялись компьютерной аэродинамикой и решетчатыми крыльями, с особым вниманием изучали крылья сотового типа. Если посмотреть на такое крыло спереди или сзади, оно напоминает пчелиные соты — отсюда и название этих несущих поверхностей.

Уже на первом этапе вместе с аэродинамиками начали работать прочнисты и технологи. Этому помог случай. Однажды потребовалось изготовить модель сотового решетчатого крыла для испытаний в сверхзвуковой аэродинамической трубе, и нам пришлось прибегнуть к очень трудоемкому “первобытному” способу: “выгрызать” крыло из целого куска металла. Между тем крылья-решетки обладают рядом специфических свойств: они сохраняют работоспособность на больших углах атаки, отличаются высокой прочностью и малым весом, удобно складываются и раскладываются. Благодаря целому ряду других привлекательных характеристик в дальнейшем они бесповоротно вошли в практику ракетостроения.

Первым, кто поверил в новые несущие системы, был Главный конструктор А. Д. Надирадзе. Он рассказал о них С. П. Королеву и порекомендовал “не проходить мимо”. Позже, уже в начале 1960-х годов, именно Надирадзе сыграл решающую роль в их реализации. Он получил правительственное задание — создать тактические ракеты на твердом топливе, в отличие от жидкого топлива оно не требует регулярных замен. Но тут возникла проблема: как обеспечить стабильную устойчивость и управляемость ракеты, если из-за выгорания пороха центр масс в полете существенно смещается? Был предложен простой и надежный способ сохранения устойчивости ракеты на атмосферном участке траектории: нужно использовать решетчатые стабилизаторы, а их геометрические параметры можно определить методом подбора.

Высокие требования и сжатые сроки заставили ученых интенсивно использовать методы математического моделирования, опираясь на только что появившегося нового помощника — ЭВМ. Сначала математические модели и численный эксперимент применили в аэродинамике и динамике полета, затем — в вопросах прочности. Чуть позже математическое моделирование пригодилось для обработки разрозненных или неполных опытных данных о механических свойствах конструкционных материалов, из которых делали решетчатые крылья. В результате удалось получить полную информацию о них во всем диапазоне температур (от самых низких до температур плавления).

Первые успешные полеты в космос, достижения в создании и реализации решетчатых крыльев подтолкнули ученых к новой научной работе. Она касалась маневрирования космического летательного аппарата. Известно, что маневр выгоднее всего выполнять с помощью аэродинамических сил, а не за счет двигательной установки. Выигрыш будет тем больше, чем выше аэродинамическое качество аппарата (отношение его подъемной силы к сопротивлению). Однако крылья, создающие подъемную силу, трудно защитить от теплового воздействия среды при весьма больших (гиперзвуковых) скоростях. Тут-то и возникла идея — использовать решетчатые крылья, которые могут складываться и раскрываться в полете. Перед учеными встала задача: доказать, что можно создать достаточно простой летательный аппарат многоразового применения, который будет обладать широкими возможностями маневрирования и сможет без проблем совершать посадку на аэродроме базирования.

Конструкторы остановились на самом простом, а потому наиболее реальном варианте — одноместном космическом летательном аппарате и предложили такую схему. Наиболее “горячие” этапы полета (вывод на орбиту, начальный маневр на первом, самом теплонапряженном участке траектории при входе в атмосферу) осуществляются со сложенными решетчатыми крыльями, при этом регулируемая дальность полета достигает заметной величины — 800—950 км. А во время окончательного наведения аппарата на место посадки и маневрирования решетчатые крылья должны быть раскрытыми. Сначала сбрасываются носовой обтекатель и тормозной “зонт”. После этого открываются решетчатые крылья: основные — с помощью телескопических подъемников, носовые — автоматически, под воздействием аэродинамических сил. Таким образом, на последнем этапе полета космический аппарат представляет собой самолет с решетчатыми крыльями и стабилизаторами. Решетки раскрываются на высоте 25—45 км, и начинается маневрирование. Это позволяет приземлиться в любой точке круга диаметром 800—900 км.

Кроме посадки “по-самолетному” предусматривался и другой, более простой вариант приземления — парашютный. Перед посадкой с парашютом решетчатые крылья отклоняются назад на угол 50 градусов с осью аппарата, за счет этого коэффициент сопротивления увеличивается, скорость падает до 80 м/с. На высоте 1,5—2 км открывается парашют, и аппарат приземляется на скорости 7—8 м/с.

Позже их успешно применяли на разных летательных аппаратах, в том числе в системе аварийного спасения космонавтов на космических кораблях “Союз”. Эта система срабатывает при неудачном запуске или аварии на начальном участке полета. В нештатной ситуации обитаемый отсек “Союза” отделяется от всей системы с помощью специального двигателя, установленного в носовой части ракеты. Он уводит обитаемый отсек из опасной зоны. Полет отделившейся части стабилизируется четырьмя решетчатыми крыльями, которые с помощью гидравлических систем переводятся из положения вдоль оси корпуса в перпендикулярное к ней. На высоте, достаточной для штатной посадки, приводится в действие парашютная система, спускаемый аппарат выпадает из головного обтекателя и с помощью парашюта и двигателя мягкой посадки совершает штатное приземление.

Еще в 1967 году конструкции со складывающимися решетчатыми крыльями привлекли внимание создателей авиационных ракет и бомб. За прошедшее десятилетие они нашли применение в боевых ракетах различного назначения. В результате на базе отечественной технологии родилось новое поколение авиационных ракет “воздух-воздух”, обладающих уникальными свойствами. На это ушло более четверти века.

Сечная Н.Ю.

По материалам журнала "Наука и жизнь"