399. ПРОЕКТ «МАСШТАБИРУЕМЫЙ ЛЕТНЫЙ ДЕМОНСТРАТОР» — РЕАЛЬНЫЙ ШАГ В ЛЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ОТРАБОТКЕ ПЕРСПЕКТИВНЫХ АВИАКОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Бахвалов Юрий Олегович

Семенов Александр Иванович

Мамин Владимир Васильевич

Корнакова Людмила Вадимовна

ООО «ИСОН», Российская Федерация, Москва

399. ПРОЕКТ «МАСШТАБИРУЕМЫЙ ЛЕТНЫЙ ДЕМОНСТРАТОР» — РЕАЛЬНЫЙ ШАГ В ЛЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ОТРАБОТКЕ ПЕРСПЕКТИВНЫХ АВИАКОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Bahvalov Yury Olegovich

Semenov Alexandr Ivanovich

Mamin Vladimir Vasilyevich

Kornakova Lyudmila Vadimovna

ISON, The Russian Federation, Moscow

THE PROJECT «SCALABLE FLIGHT DEMONSTRATOR» IS A REAL STEP IN THE FLIGHT-PILOT TESTING OF PROMISING AEROSPACE SYSTEMS.

Аннотация: Проанализирована и обоснована необходимость создания многоразовых летных демонстраторов. Представлена номенклатура ключевых элементов гиперзвуковых ЛА, для которых необходима отработка на летающих лабораториях и демонстраторах. Определены основные направления проводимых исследований по МЛД

Ключевые слова: масштабируемый летный демонстратор, многоразовый воздушно-космиче ский летательный аппарат, многоразовые средства выведения, гиперзвуковой летательный аппарат, летный эксперимент

Abstract: Analyzed and the necessity of creating reusable flight demonstrators. The item presents the key elements of a hypersonic aircraft, which require testing on flying laboratories and demonstrators. Defines the main directions of the studies on MLD

Key words: scalable flight demonstrator, a reusable aerospace aircraft, reusable launch vehicles, hypersonic aircraft, flight experiment

Сокращения

АДХ аэродинамические характеристики НИОКР научно-исследова тельские и опытно-конструкт орские работы
ВРБ возвращаемый ракетный блок НКПОП наземный комплекс подготовки и обеспечения полета
МРКС-1 многоразовая ракетно-косми­че ская система первого этапа РН ракета-носитель
ЛА летательный аппарат СУ система управления
МАКС многоразовая авиационно-косми ческая система ТЗ техническое задание
МВКЛА многоразовый воздушно-космиче ский летательный аппарат ТКС транспортная космическая система
МЛД масштабируемый летный демонстратор ТТХ тактико-техничес кие характеристики

Современная авиационная и космическая техника уверенно использует диапазоны высот 0…20 км и выше 140 км. Промежуток между этими двумя диапазонами не используется из-за отсутствия технологий, позволяющих осуществлять установившиеся полеты на этих высотах. Освоение происходит с двух направлений: «снизу», т.е. повышением высотности и скоростей традиционной авиации, и «сверху», путем снижения высот полетов перспективных космических аппаратов и расширением их возможностей с полетом в атмосфере. В перспективе смыкание этих направлений приведет к появлению летательных аппаратов, одинаково эффективно действующих как в атмосфере, так и в космосе. Более того, такие аппараты смогут рационально использовать преимущества одной среды для выполнения задач в другой.

Усилия всей мировой передовой авиакосмической науки и техники направлены на освоение этого диапазона.

Во всех странах с развитой ракетно-космической промышленностью (в СССР и РФ, США и Европе, Индии, Китае, Японии) с 80-х годов прошлого столетия активно ведутся работы по исследованию создания многоразовых средств выведения и гиперзвуковых двухсредных ЛА. Проведенные научно-технические исследования и практическая реализация отдельных многоразовых проектов («Спейс Шаттл», «Энергия-Буран», Х-37В ) показали, что для создания нового поколения ЛА такого рода необходим качественно новый технический уровень. Это означает, что прежде чем переходить к полноразмерным проектам, надо пройти программы накопления соответствующего научно-технического задела по ключевым технологиям. И как завершающие и подводящие итог по научно-экспериме нтальным работам – лётные испытания масштабируемого демонстратора позволяют решить ключевые проблемы создания перспективных гиперзвуковых ЛА.

В период 2000-2013гг. за рубежом проведено 36 летных экспериментов по 11 программам разработки и исследований высокоскоростных технологий. При этом в CIIIA проведены летные исследования по 10 программам: Х-43А , HyFly , FASTT , HyCause , HiFire , HyBoLT , Soarex ; X -37 B , « HTV -2» , Х-51 и AHW ; в Австралии, совместно с Великобританией, Японией и другими странами – HyShot и совместно с США – HyCause и HiFire ; в Германии – Shefex . Эти исследования характеризуются большим разнообразием объектов исследований, видов ГЛА, режимов и условий их полета, что обусловлено разработкой на текущем этапе развития нескольких видов перспективных высокоскоростных ЛА и двигательных установок, большим числом и сложностью проблем, стоящих на пути их создания (рис. 1-3). В ближайшей перспективе ожидается осуществление полетов по следующим программам опережающих высокоскоростных летных исследований: в США – HiFire , HyV ; в ESA – Expert , IXV , LEA , в Индии — Avatar . Несколько позже возможно начало летных испытаний ГЛА по программам Великобритании, Китая, Израиля.

 

Рисунок 1. Корабль многоразового использования «Аватар» (Индия)

Рисунок 2. Космический аппарат «Shefex (Германия)

Рисунок 3. Направления развития аэрокосмических ЛА и систем в США

Проектно-теоретические исследования ЛА, совершающих полеты со сверхзвуковыми скоростями, включая, в том числе, и продувки моделей в аэродинамических трубах требуют обязательной летной проверки в реальных условиях на масштабированных летных демонстраторах. Так работает вся мировая авиационная и космическая промышленность.

В материалах международной конференции AIAA «Космические и гиперзвуковые системы и технологии» [1] специалистами стран Европы, США и Японии делается однозначный вывод (в материалах конференции этот материал назван как «Экономическая реальность»), который сводится к следующему:

«1. Наземные испытания, это всё, что вы можете сделать, чтобы оценить моделирование и имитацию перед полётом .

2. Наземные испытания и эксперименты дороги.

3. Лётные испытания очень дороги.

4. Нет наземного оборудования, которое могло бы повторить комбинированные условия гиперзвукового полёта.

5. Вы не можете смоделировать то, что вы не знаете или не поняли .

6. Шаги лётной отработки:

  • комплексные лётные испытания масштабных моделей;

  • полномасштабные испытания штатного ЛА».

Справедливость такого подхода подтверждает и ретроспективный анализ опыта создания, отработки и эксплуатации многоразовых космических систем (к таковым следует отнести американские «Спейс Шаттл» и Х-37 и отечественную систему «Энергия-Буран») .

Так, организация работ по созданию в 1970-80гг. многоразовых транспортных космических систем (ТКС) «Спейс Шаттл» и «Энергия-Буран» укрупнённо проходила стадии:

  • исследования и обоснования облика и основных ТТХ;

  • принятия государственного решения о создании транспортной космической системы, определявшего сроки создания, финансирование работ и головные организации;

  • НИОКР и экспериментально й, в том числе летной, отработки штатной ТКС;

  • эксплуатации ТКС.

Целесообразность создания масштабированных летных демонстраторов (МЛД) основывается на опыте и тенденциях в отечественной и мировой космонавтике и авиации, свидетельствующих об эффективности и возрастающей роли летного эксперимента на летающих моделях (демонстраторах) в создании новых летательных аппаратов и их систем.

Независимо от заинтересованности того или иного заказчика и технической стороны проблематики вопроса освоения межсредного диапазона, можно определить место создаваемого МЛД в этом направлении, как первоочередной элемент непосредственной летной отработки критических технологий гиперзвуковых скоростей и как средство доставки целевых перспективных летательных аппаратов в зону эксперимента и применения.

Номенклатура ключевых элементов гиперзвуковых ЛА, для которых необходима отработка на летающих лабораториях и демонстраторах, достаточно широка:

  • концепция аэродинамической компоновки гиперзвуковых ЛА;

  • концепция конструкции ЛА в целом (горячая, смешанного типа, иная);

  • конструкция критических по тепловым и аэродинамическим нагрузкам элементов ЛА (крыло, органы управления и др.);

  • теплозащитные и жаростойкие материалы, покрытия, элементы конструкции теплозащиты;

  • новые типы и виды двигателей и их элементы;

  • традиционные типы двигателей при нештатной эксплуатации;

  • концепция системы управления ЛА на всех этапах возвратного полета, включая посадку.

Опережающие исследования в интересах создания гиперзвуковых ЛА на гиперзвуковых масштабированных демонстраторах необходимы для:

  • уточнения расчетных оценок аэродинамических характеристик ЛА, прежде всего аэродинамического качества, характеристик устойчивости и управляемости на гиперзвуковых режимах полета, в том числе при больших углах атаки;

  • уточнения расчетных оценок шарнирных моментов органов аэродинамического управления;

  • исследование аэродинамики изделия на трансзвуковых режимах полета (волнового подхвата);

  • уточнения распределения тепловых нагрузок на поверхность ЛА в условиях развитого трехмерного течения на поверхности изделия для оптимизации его веса, исследования пиковых значений тепловых потоков в особых зонах, зазорах;

  • исследования работоспособности жаростойких материалов, покрытий, конструкций, подвергаемых интенсивному нагреву.

Необходимость лётных испытаний, разработка программы и методики их проведения, определение состава испытуемых изделий диктуются невозможностью с помощью расчётных методов и наземных испытаний разрешить проблемы критических технологий по исследованию аэродинамических характеристик, характеристик устойчивости и управляемости летательного аппарата, параметров теплового воздействия на его конструкцию. Значительный объём данных можно получить в наземном эксперименте путём продувок моделей в аэродинамических трубах. Однако, из-за специфики проведения наземного эксперимента применительно к сложным процессам и явлениям (невозможность смоделировать одновременно реальные условия по числам М и Re , составу газового потока, по состоянию пограничного слоя, учесть инструментальные и методические погрешности и др.), к которым несомненно относится возвратный полёт возвращаемого ракетного блока, проведение лётного эксперимента необходимо для подтверждения аэротермодинамич еских качеств ЛА при воздействии комбинации реальных внешних факторов.

Например, при определении номенклатуры лётных демонстраторов многоразовой ракетно-космической системы первого этапа (МРКС-1) с многоразовым крылатым возвращаемым ракетным блоком (ВРБ) – ускорителем первой ступени, эскизный проект которой разрабатывался в 2011-2013гг. по ТЗ Роскосмоса, предусмотрена необходимость создания аэродинамического и термодинамического демонстратора, представляющих собой свободнолетающие крупномасштабные модели штатного ВРБ.

Гиперзвуковой масштабированный лётный демонстратор предназначен для уточнения основных аэротермодинамических характеристик ВРБ, а также отработки динамики полёта на режиме скоростей 1<М≈7. Демонстратор должен соответствовать основным аэродинамическим и теплофизическим свойствам полноразмерного ВРБ. Демонстратор должен быть многоразовым с парашютной посадкой. При этом помимо получения аэротермодинамич еских характеристик планера происходит отработка системы управления при полетах с гиперзвуковыми скоростями в комплексе с органами управления и реальными характеристиками трактов управления, отработка элементов конструкции планера с учетом воздействия внешних условий и многоразовости. Создание масштабированного летного демонстратора позволяет существенно сократить затраты на проведение экспериментов при сохранении качества получаемых результатов. Такой подход к проблематике демонстраторов полностью подтверждается и анализом мирового опыта и общих подходов к роли и месту демонстраторов в создании космических и гиперзвуковых систем и технологий.

В основу проекта создания МЛД положен задел по темам «Бор», «Буран», МАКС, «Байкал», МРКС-1, а команда проекта сформирована из участников эти разработок.

Создаваемый масштабируемый летный демонстратор – экспериментальный ЛА, представляющий собой свободнолетающую модель ‑ подобие или масштабную копию перспективных многоразовых ЛА, создаваемых для решения транспортных или целевых задач. С помощью МЛД исследуются гиперзвуковые режимы полета ЛА и ключевые технические и технологические решения, применяемые в конструкции ЛА и его систем для реализации полета на гиперзвуковых режимах.

В качестве исследуемых аэрокосмических ЛА в первую очередь рассматриваются:

  • многоразовый воздушно-космический летательный аппарат (МВКЛА), совершающий орбитальный полет и имеющий возможность маневрирования в атмосфере с последующей посадкой на Землю (рис. 5);

  • возвращаемый ракетный блок (ВРБ) первой ступени многоразовой РН (рис. 4).

Рисунок 4. Модель ВРБ первой ступени многоразовой РН (проект МРКС-1, Россия) в аэродинамической трубе

Рисунок 5. Космический самолет Х-37В после приземления

Целью проекта является отработка технологии создания многоразовых воздушно-космических летательных аппаратов с использованием масштабированных летных демонстраторов. В рамках проекта будет создан масштабированный летный демонстратор (МЛД) и проведена серия летных испытаний, обеспечивающая получение необходимого объема данных для создания многоразовых воздушно-космиче ских летательных аппаратов (МВКЛА) и многоразовых возвращаемых ракетных блоков (ВРБ) первых ступеней ракет-носителей.

Задачи реализации инновационного проекта:

  • создание многоразового модифицируемого МЛД, имеющего возможности полета на гиперзвуковых скоростях по различным программам и обеспечивающего задачи опережающих летных испытаний с диапазоном эксперимента, составляющим по высотам 20-60 км и по скоростям от 5 до 7 М;

  • отработка технологии опережающих летных испытаний с использованием многоразового, модифицируемого МЛД, включая пусковую систему на базе самолета-носител я и наземный комплекс для подготовки и обеспечения полета;

  • получение результатов летных испытаний, которые могут быть положены в основу создания МВКЛА различного назначения.

При проведении испытаний термодинамического демонстратора должна быть повторена траектория полёта ЛА на гипер- и трансзвуковых участках (т.е. обеспечение соответствия траектории по высоте, скорости полёта, углам атаки и тангажа и др.), при проведении испытаний аэродинамического демонстратора должна быть реализована траектория полёта с обеспечением соответствия траектории полёта ЛА по числам М и Re (т.е. по высоте, скорости и др. параметрам траектории демонстратора и штатного ЛА могут различаться).

Основные направления проводимых исследований по МЛД:

  • определение аэродинамической компоновки МЛД и изготовление лабораторного образца для испытаний в аэродинамической трубе;

  • проведение стендовых испытаний лабораторного образца в аэродинамической трубе;

  • создание модифицируемого планера МЛД для расширения функциональных возможностей проведения опережающих летных испытаний в интересах создания различных видов МВКЛА;

  • создание многоразового МЛД с целью многократного повторения летных испытаний для увеличения объема и качества получаемой информации;

  • отработка специальных алгоритмов системы управления и динамики движения ЛА в реальных условиях;

  • проверка применения в конструкции планера термостойких, высокопрочных конструкционных и теплозащитных материалов, а также конструктивных элементов и узлов из них, в реальных условиях с учетом многоразовости;

  • разработка системы спасения МЛД с использованием парашютной и пневматической систем;

  • использование для разгона до требуемых скоростей и высот собственного реактивного двигателя и подъем в точку старта с помощью самолета-носителя;

  • проведение опережающих летных испытаний с использованием масштабируемых летных демонстраторов, для моделирования в реальных условиях аэродинамического и термодинамического воздействия на ЛА при различных программах полета в области гиперзвуковых скоростей;

  • разработка программы комплексной наземной отработки МЛД;

  • разработка программы летных испытаний, включая объем испытаний, виды программ полета и характеристики условий летных испытаний.

В состав экспериментально го комплекса МЛД входят:

  • масштабируемый летный демонстратор (МЛД);

  • пусковая система с использованием самолета-носител я (функционально);

  • наземный комплекс подготовки и обеспечения полета (НКПОП);

  • комплекс межполетного обслуживания и хранения МЛД;

  • средства Глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС (и/или GPS ) (функционально);

  • поисково-спасате льный комплекс (функционально).

При разработке предложений максимально учитывался опыт создания экспериментальны х ЛА серии «Бор» для подтверждения аэродинамических характеристик ОК «Буран» и проведения летных экспериментов. Предлагается сохранить как общую методологию летного эксперимента – обеспечение подобия режимов полета МЛД и исследуемых МВКЛА по числам М, Re и углам атаки для возможности оценки АДХ исследуемых МВКЛА.

В предлагаемой технологии будет использован МЛД в многоразовом варианте с собственной двигательной установкой для выведения на режим исследования после отделения от самолета-носител я типа МиГ-31 и с парашютной посадкой после завершения эксперимента.

Это решение продиктовано следующими обстоятельствами : при понимании необходимости этапа летной отработки с использованием масштабируемых летных демонстраторов, создание МЛД в одноразовом исполнении под конкретную задачу – задача очень дорогостоящая; доставка демонстратора в зону эксперимента с использованием ракеты-носителя – весьма дорогостоящее и длительное (с учетом этапов подготовки РН) мероприятие. При этом воздушный старт позволяет существенно сократить как сроки проведения эксперимента, так и его стоимость, а за счет многоразовости и возможности модификации облика обеспечивается повторное использование МЛД для решения экспериментальны х задач в интересах различных программ (рис. 6-7).

Рисунок 6. 3 D модель МЛД

Рисунок 7. Масштабируемый летный демонстратор, установленный на самолете МиГ-31

Далее реализуется автономный полет с автоматическим отслеживанием заданной траектории и с последующим спасением МЛД на парашюте, телеметрирование измерительной информации, необходимой для оценки АДХ в ходе полета. Вместе с тем будут использоваться в интересах создания многоразовых ЛА нового поколения (возвращаемый ракетный блок многоразовой ракетно-космичес кой системы, возвращаемых космический летательный аппарат и др.) современные подходы к повышению эффективности летного эксперимента на основе методов математической теории планирования экспериментов – активной идентификации аэродинамических характеристик за счет оптимизированных по информативности тест — маневров.

Систему управления (СУ) МЛД предлагается создавать как интеллектуальную систему, обеспечивающую в полете адаптацию к текущим условиям функционирования, высокую точность управления за счет применения методов терминального наведения комплексной навигационной системы. Следует отметить, что в рамках создания СУ МЛД могут быть получены технические решения, которые будут актуальны для создания СУ управления посадкой исследуемых МВКЛА.

Достоинствами летного эксперимента на МЛД являются:

  • получение результата в натурных условиях;

  • возможность получения результата в условиях, невоспроизводимы х в наземных экспериментальны х установках;

  • возможность получения результата в широком диапазоне параметров полета (чисел М, высоты и др.);

  • возможность уменьшения технико-экономич еских рисков при принятии ресурсоемких и/или критических новых технических решений (создании аэрокосмических систем, разработке новых аэродинамических компоновок, новых систем бортового оборудования, освоения новых режимов полета), возможность комплексной демонстрации достигнутого уровня проработки.

  • уточнить температурные нагрузки и снизить вес теплозащиты уточнить априорные (продувочные) аэродинамические характеристики ЛА, включая такие ключевые, как аэродинамическое качество, значения которых оказались вне поля допусков эталонного банка ;

  • выявить новые особенности аэродинамики, повлекшие изменение аэродинамической компоновки ЛА.

Два обстоятельства являются определяющими для этого рассмотрения:

  • общепризнано [2, 3], что в настоящее время ни на наземных установках, ни, тем более, в расчетных исследованиях, невозможно воспроизвести весь комплекс воздействий на аппарат внешней среды, который существует в реальном гиперзвуковом полёте;

  • при разработке перспективных образцов авиационной и космической техники доля принципиально новых, ещё не опробованных, технических решений относительно велика, что при невозможности достаточной полноты наземных отработок приводит к многократному возрастанию технического риска создания таких систем.

Проведение опережающих летных исследований на демонстраторах и экспериментальны х МВКЛА является характерной особенностью и зарубежных гиперзвуковых программ. Данная особенность обусловлена необходимостью верификации методов, средств и результатов расчетных и наземных экспериментальны х исследований, ограниченными возможностями наземной стендовой базы для отработки гиперзвуковых технологий [3], а также негативным опытом попытки создания целевого аппарата, минуя этап опережающих летных исследований ключевых проблем (программа NASP в США).

Таким образом, масштабируемый летный демонстратор должен стать реальным шагом в летно-эксперимен тальной отработке перспективных авиакосмических систем различного назначения.

Список литературы:

  1. Материалы международной конференции AIAA «Космические и гиперзвуковые системы и технологии», Сан-Франциско, Калифорния, 17-11 апреля 2011 г.

  2. Лехов П.А., Семёнов А.И. и др. «Многоразовая ракетно-космичес кая система. Инновации по развитию российских средств доступа в космическое пространство». Париж, Франция, 21-23 сентября 2011г.

  3. Лехов П.А., Семенов А.И., Паничкин Н.Г., Ромашкин А.М. «Предложения по составу и техническому облику демонстраторов МРКС». 62-й международный космический конгресс ( International Astronautical Congress ). Кейптаун, сентябрь 2011.

http://gs-conf.com/index.php/stati-viii-vserossijskaya-elektronnaya-seminar-konferentsiya/110-proekt-masshtabiruemyj-letnyj-demonstrator-realnyj-shag-v-letno-eksperimentalnoj-otrabotke-perspektivnykh-aviakosmicheskikh-sistem

Добавить комментарий

Кто хочет помочь спасти Человечество от исчезновения во вселенной, регистрируйтесь на сайте mirah.ru!🙂