Аэрокосмическая система «Вьюга»

В начале нашей деятельности по требованию заказчика, которого мы предпочитаем не называть, были проведены оценочные расчеты авиационно-космической системы.

Был разработан проект многоразовой двухступенчатой авиационно-космической системы (АКС) двойного назначения. В качестве самолета-носителя в проекте рассматривается военно-транспортный самолет Ил-76. Основная задача АКС «Вьюга» — проведение технологических и общебиологических исследований на коммерческой основе, а также получение новых материалов в условиях космического полета. Кроме того, система может применяться для запуска микроспутников массой до 450 кг.

Варианты военного применения — фоторазведка, инспекция и перехват космических аппаратов (воздушный старт дает возможность запуска на орбиты в широком диапазоне наклонений), носитель высокоточного оружия («убийца авианосцев»).

Основные преимущества авиационно-космической системы:
  1. Полная многоразовость.
  2. Использование в качестве самолета носителя Ил-76.
  3. Возможность запусков на орбиты в широком диапазоне наклонений.
  4. Экологическая безопасность.
  5. Мобильность — возможность запусков космических аппаратов с территорий стран-заказчиков.


Характеристики АКС

Характеристики первой ступени

Характеристики орбитальной ступени

* * *

Подробнее разберем ход проектирования АКС.

Выбор самолета-носителя авиационно-космической системы

После определения основных задач АКС, была выбрана масса полезной нагрузки системы около 450 кг на низкой околоземной орбите (подобную полезную нагрузку несут технологические спутники серии «Фотон»). Многоразовость системы, или частичная многоразовость рассматривалась как весьма желательное свойство системы. В качестве самолета носителя системы данной размерности были рассмотрены М-55Х «Геофизика», МиГ-31 и Ил-76.

От самолетов типа Ан-124 «Руслан» и Ан-225 «Мрия» было решено отказаться, так как их грузоподъемность была бы избыточна. Ту-160 не рассматривался из-за небольшого количества данных самолетов.

Высокий практический потолок самолета М-55Х «Геофизика» (20,4 км) позволял получить значительный выигрыш характеристической скорости АКС, необходимой для выведения на орбиту, за счет уменьшения аэродинамических потерь и использования ЖРД с соплом большого расширения. Но малая целевая нагрузка (3,5 т) не позволяла создать многоразовую авиационно-космической систему. Единственный возможный в данном случае вариант — это одноразовая кислородно-водородная ракета с ПН порядка 10–50 кг.

Высокий практический потолок МиГ-31 (20,6 км) и большая, чем у М-55Х грузоподъемность (5-6 тонн), делали данный самолет весьма реальным кандидатом на роль носителя АКС. Но основное преимущество МиГ-31, его высокая скорость, могло быть реализовано только с малогабаритным грузом. Размещение груза «на спине» не позволило бы использовать МиГ-31 как сверхзвуковой разгонщик. Создание полностью многоразовой системы на базе МиГ-31 если и возможно, то с полезной нагрузкой не более 30-60 кг.

Вариант с использованием широко распространенного военно-транспортного самолета Ил-76 проигрывает двум предыдущим вариантам по высоте подъема (12 км), но значительно опережает их по массе полезной нагрузки (43,4–47 т). В случае крепления АКС «на спине» необходимо предусмотреть не только специальные крепежные конструкции, но и укрепляющие конструкции внутри самолета. У первой ступени АКС необходимо, предусмотреть крылья, создающие подъемную силу для отделения от самолета. Возможность реализации подобного разделения доказывает сброс корабля «Энтерпрайз» (типа «шаттл») во время испытаний с самолета B-747.

Масса АКС с учетом оборудования для крепления — 35 т, высота разделения — 10 км.

Проектирование и компоновка

Перед компоновкой были определены параметры двигателей системы, теплозащитного покрытия орбитальной ступени, примерные толщины баков и обшивки (см. ниже). Тяга двигателей первой и орбитальной ступеней, соответственно, была выбрана в 50 и 8 тс.

Параметры теплозащитного покрытия (ТЗП) орбитальной ступени авиационно-космической системы основывались на опыте корабля «Буран». Толщины ТЗП «Бурана» различны в зависимости от зоны, но в среднем ~25 мм. Плотность различной ТЗП разная, но в основном 150 кг/куб.м (ТЗМК-15) и 250 кг/куб.м (ТЗМК-25). Условно ТЗП орбитальной ступени разбивается на две зоны — «брюхо» и «спина». Для АКС «Вьюга» толщина ТЗП принята равной 25 мм, плотность на «брюхе» 250 кг/куб.м, на «спине» — 150 кг/куб.м. Материал корпусов, крыльев, баков — АМг6. Масса и объем парашютного контейнера — 100 кг и 0,27 куб.м соответственно. Плотность электронных систем управления принималась равной 750 кг/куб.м.

Общий вид первой ступени авиационно-космической системы

Общий вид орбитальной ступени

Внутренняя компоновка орбитальной ступени. Видны: бак окислителя, парашютный контейнер, система управления, отсек ПН и ДУ.

Орбитальная ступень без верхнего слоя ТЗП. Виден корпус ступени и люк парашютного контейнера.

Орбитальная ступень без корпуса и нижнего слоя ТЗП. Видны: баки горючего и окислителя, шар баллоны, система управления. Частично видны: парашютный контейнер и отсек полезной нагрузки.

Орбитальная ступень подверглась виртуальным продувкам (моделированию обтекания потоком воздуха в специализированных программах). Это позволило определить ее основные аэродинамические характеристики, а также траекторию снижения в атмосфере (см. ниже). Балансировочный угол атаки находится в районе 35 градусов.

Визуализация одной из виртуальных продувок орбитальной ступени (поле давления)

Высота, км

Удаление, км

Скорость, м/с

Время, с

Для первой ступени перед тем, как был выбран окончательный вариант конструкции, были рассмотрены несколько профилей крыла, использование конического бака окислителя, а также вариант с внешним баком (как у аэрокосмической системы МАКС). Кроме того, были проведены виртуальные продувки как ступени отдельно, так и вместе с орбитальной ступенью.

Визуализация одной из виртуальных продувок первой ступени (поле давления)


Визуализация одной из виртуальных продувок первой и орбитальной ступени в сборе (поле давления)

Результаты моделирования помогли определить траекторию первой ступени.

Высота, км


Время, с

Затем была спроектирована силовая часть конструкции. Она состоит из несущей фермы, крыльевых, хвостовых и основных лонжеронов. К основным лонжеронам крепится теплозащитный экран (снизу) и легкие композиционные баки горючего и окислителя (сверху).

Схематичное изображение силовой конструкции


Предполагается, что силовая конструкция первой ступени будет выполнена из углепластика. В таком случае ее масса составит 1230 кг.

Для передачи нагрузок на самолет-носитель используется специальная внутренняя ферма. Конструкция фермы выбиралась из соображения минимальных доработок самолета. Габаритные размеры фермы позволяют разместить ее в грузовом отсеке Ил-76.

Первоначально предполагалось изготовлять элементы фермы из углепластика, но прочностные расчеты показали необходимость утолщения элементов фермы и изготовления их из титанового сплава.

Титановая ферма с элементами диаметром 85 мм, удовлетворяет условиям прочности (коэффициент запаса 1,3). Можно понизить массу фермы, уменьшив диаметр элементов нижнего пояса до 60 мм. Масса фермы 6200 кг.

К топливной системе АКС, одним из элементов которой является бак окислителя первой ступени, предъявляются требования герметичности, надежности, малого веса, коррозионной устойчивости и ряд специфических требований, одним из которых является, например, возможность максимально полной выработки компонента. Исходя из всего вышеперечисленного была выбрана концепция цилиндрического подвесного бака из двухслойного композитного материала с концевыми вклеенными шпангоутами и днищами из сваривающегося алюминиевого сплава типа АМг6. Бак представляет собой автономную по прочности и жесткости конструкцию, крепящуюся внутри корпуса к его силовым элементам при помощи элементов, закрепляемых на ребрах жесткости бака в процессе изготовления. Внутри бака есть перегородки-успокоители уровня компонента и ряд специальных элементов, монтируемых после сборки бака.


Поскольку бак предназначен для использования с жидким кислородом при температуре 70–90 К, а композитные углепластиковые материалы при столь низких температурах в среде кислорода не показали нужной надежности, то его конструкция предусматривает изготовление внутренней части из специальной пленки ПМФ-352, поверх которой и будет намотана ровница из углеволокна УГВ с эпоксидным связующим. В краевые зоны этой цилиндрической части должны быть вклеены шпангоуты, которые скрепляются с неметаллическими материалами силами клеевой адгезии и приматываются с помощью бандажей из высокопрочных нитей. Форма вклеиваемой части шпангоута имеет технологический уклон в 9 градусов для обеспечения качественного соединения металла и углепластика.

На первый этап разработки АКС «Вьюга» — научно-исследовательскую раюоту (НИР) — потребуется 92 дней (при 207 человеко-днях). Оценочная стоимость НИРа в ценах 2016 года составляет 3,2 млн руб.

* * *

Основные параметры АКС

  • Высота отделения от самолета-носителя Ил-76 ~10 км
  • Масса космического летательного аппарата — 35 т
  • Топливо — жидкий кислород + керосин (скорость истечения газов — 3400 м/с)
  • Массовое отношение компонентов топлива - 2,726
  • Характеристическая скорость АКС — 8900 м/c

Первая ступень

  • Снабжена крылом, масса со второй ступенью или военной полезной нагрузкой (ПН) — 35 т
  • Характеристическая скорость ступени — 4717 м/c
  • Масса горючего (керосин) — 7050 кг
  • Масса окислителя (кислород) — 19210 кг
  • Окислитель размещен в цилиндрическом баке. Масса бака с теплозащитой ~1200 кг.
  • Горючее размещено внутри фюзеляжа, масса ~450 кг.
  • Масса носового конуса с теплозащитным покрытием ~75 кг.
  • Масса крыла, килей, пилонов, механизации ~1550 кг.
  • Масса двигательной установки ~350 кг.
  • Масса шасси ~210 кг.
  • Масса систем управления ~100 кг
  • Итого (с запасом ~5 кг): масса сухой ступени — 3940 кг, масса заправленной ступени — 30200 кг.

Орбитальная ступень

  • Характеристическая скорость — 4183 м/c
  • Масса горючего (керосин) — 914 кг
  • Масса окислителя (кислород) — 2486 кг
  • Масса корпуса орбитальной ступени ~220 кг
  • Масса баков окислителя ~190 кг
  • Масса баков горючего ~75 кг
  • Масса шар-баллонов ~20 кг
  • Масса теплозащиты днища ~120 кг
  • Масса теплозащиты «спины» ~60 кг
  • Масса маршевой двигательной установки ~60 кг
  • Масса парашютного контейнера ~100 кг
  • Масса системы управления ~45 кг
  • Масса двигателей ориентации ~60 кг
  • Полезная нагрузка ~450 кг
  • Сухая масса вместе с ПН — 1400 кг
  • Масса заправленной ступени с ПН — 4800 кг


АКС «Вьюга» стартует с аэродрома