Такая сложная и многоплановая работа, как подготовка и проведение программы Dyna-Soar, просто не могла не породить целую лавину побочных программ. Одним из подобных проектов, также инициированных ВВС США в конце 1950-х - начале 1960-х гг, была программа создания воздушно-космического самолета (ВКС) Aerospaceplane (не следует путать с проектом X-30 «Национальный воздушно-космический самолет» NASP (National Aero-Space Plane), разработанным в конце 1980-х гг). Концепция ВКС предполагала создание крылатого пилотируемого аппарата, способного с помощью собственной ДУ взлетать с обычных аэродромов, разгоняться до орбитальной скорости, совершать маневренный полет в космическом пространстве и возвращаться на Землю. Количество повторных миссий космического самолета предполагалось не менее 100.
Американские военные рассматривали ВКС как перспективную многоцелевую космическую систему оружия для наступательных, оборонительных, разведывательных и транспортных операций. Большинство работ велось в обстановке строгой секретности, но вездесущей прессе удалось выяснить, что планы ВВС предполагают разработку аппарата стартовой массой около 500 000 фунтов (227 т) и длиной около 60 м, способного летать на высотах до 480 км. Таким образом, по габаритам Aerospaceplane должен был превзойти самый крупный из самолетов, закладывавшихся в то время, - сверхзвуковой бомбардировщик XB-70 «Валькирия». Основными аргументами Министерства обороны в защиту данной концепции были потенциальная маневренность и экономичность данной системы в сравнении с другими разрабатываемыми КА. Так, например, для изменения наклонения орбиты на 30° орбитальный аппарат в виде капсулы с близким к нулю аэродинамическим качеством на гиперзвуке должен затратить топливо, равное массе КА, в то время как ВКС, тратя гораздо меньше топлива, мог снизиться в верхние слои атмосферы и, совершив маневр с использованием аэродинамической силы, вновь выйти на орбиту, но уже с другим - нужным наклонением.
Согласно исследованиям, Aerospaceplane мог быть значительно эффективнее (более высокая относительная масса ПГ) и экономичнее, чем РН, разрабатываемые в то время. На основании этого предположения делался вывод, что ВКС найдет применение в космических исследованиях как система запуска многократного применения вместо одноразовых РН, а также для перевозок «Земля - орбитальные станции». Теоретически аппарат рассматривался как некий идеальный самолет, а принципы осуществления орбитального полета, предполагающего использование ракет или самолетов-носителей, считались промежуточными этапами в его разработке. Исследования вариантов ВКС как с горизонтальным, так и с вертикальным взлетом проводились Дивизией космических систем Командования систем ВВС США. Проект был начат Уэлдоном Уортом (Weldon Worth), директором Лаборатории авиационных ДУ (Aero Propulsion Laboratory) на авиабазе ВВС Райт-Патерсом. Вопреки широко распространенному убеждению, не Dyna-Soar, а именно Aerospaceplane был первой серьезной попыткой реально разработать крупномасштабный транспортный аппарат, способный летать в космос и возвращаться оттуда с использованием подъемной силы при спуске в атмосфере.
Требования к ВКС были сформированы в документе SR-89774 Министерства обороны США от 1957 г., в котором исследовалась концепция космических носителей многократного использования. К 1959 г расширенная программа, получившая название «Возвращаемая орбитальная система запуска» ROLS (Recoverable Orbital Launch System), предусматривала разработку одноступенчатого орбитального аппарата с горизонтальным взлетом и комбинированной ДУ, состоящей из ВРД и ЖРД, работающих на жидком водороде и жидком или газообразном кислороде (или жидком или обычном воздухе). Полет в атмосфере должен был осуществляться с ВРД, а за пределами атмосферы - с ЖРД. На аппарате предусматривалась система для получения жидкого кислорода из атмосферного воздуха в процессе полета на околоорбитальной скорости на высоте 100-110 км. Поскольку для сжигания 1 кг жидкого водорода требуется 5-8 кг жидкого кислорода, привлекала внимание идея создания такого ЛА с минимальным запасом жидкого кислорода при взлете, достаточным для набора высоты.
Проектанты надеялись, приняв данный подход уменьшить стартовую массу и размеры ВКС, который имел бы на борту лишь часть окислителя, необходимого для взлета и набора высоты. ДУ с аккумулированием жидкого воздуха LACES (Liquid Air Collection Engine System) разрабатывали фирмы Marquardt и General Dynamics. Предполагалось, что LACES закроет промежуток между ТРД, которые функционируют при низких давлениях в камере сгорания и имеют сравнительно небольшое отношение тяги к массе, и «обычными» ЖРД, имеющими намного более высокое давление и, следовательно намного лучшее отношение тяги к массе. По проекту, в большом воздухозаборнике ДУ располагался ряд радиаторов-теплообменников (ответственный исполнитель - фирма Garrett AiResearch), в которых жидкий водород шел в тонких трубках противотоком через входящий воздух. Низкая температура жидкого водорода заставляла воздух превращаться в жидкость, которая стекала в баки низкого давления. Этот «жидкий
воздух» затем закачивался насосом в камеры сгорания ЖРД подобно любому другому окислителю.
В конце 1960 - начале 1961 г инженеры Marquardt успешно продемонстрировали базовую концепцию ДУ с использованием прототипа фирменных радиаторов-теплообменников Garrett на стенде в г Coryc (Saugus), Калифорния. Во время серии испытаний ЖРД тягой до 275 фунтов (125 кгс) успешно работали по пять минут и более, используя окислитель, превращенный в жидкость из воздуха. Предполагалось, что ДУ аппарата будет скомбинирована из трех типов двигателей: ТВРД и ПВРД, работающих на жидком водороде, и ЖРД, работающего на жидком водороде и жидком кислороде, полученном из атмосферного воздуха с помощью бортовой системы путем накопления, сжижения и разделения воздуха на кислород и азот Двигатели должны были вступать в работу последовательно по мере увеличения скорости и высоты полета. Приводилась следующая типичная схема полета ВКС с установкой LACE:
1. Взлет и разгон на ТВРД до скорости, соответствующей числу М=3.
2. Переход на ПВРД и разгон до скорости, соответствующей числу М=8-10 с набором предельной высоты в отношении аэродинамической подъемной силы. В процессе разгона на высоте 100-110 км осуществляется накопление жидкого кислорода из атмосферы.
3. Включение ЖРД и разгон до орбитальной скорости.
4. Маневренный полет в космическом пространстве.
5. Возвращение на Землю.
Для пополнения запаса кислорода ВКС мог бы снижаться в атмосферу до высоты, на которой возможно аккумулирование воздуха, и затем продолжать полет в космическом пространстве. Согласно расчетам, масса системы Aerospaceplane в конце цикла накопления и заполнения баков жидким кислородом перед выходом на орбиту почти вдвое превышала бы взлетную. Однако исследованиями, проведенными в 1960-1961 гг по программе SR.651 (общее изучение конфигурации, аэродинамики и ДУ), было установлено, что относительная масса конструкции одноступенчатого ВКС будет очень большой, а уменьшить ее до требуемой величины, вероятно, станет возможно только в 1970-е годы. В ответ на это были предложены атомные ДУ с магнитогидродинамическим (МГД) ускорителем, использующим в качестве рабочего тела жидкий азот, полученный из атмосферы. В частности, подобную установку имел ВКС, предложенный фирмой Martin в 1961 г По размерам он приблизительно соответствовал бомбардировщику XB-70A и мог бы взлетать с существующих военных аэродромов. Из его особенностей можно назвать выдвижные «гибкие» крылья, помещенные вдоль фюзеляжа, МГД-ускоритель на азоте, сжиженном из атмосферного воздуха, и радиатор в обшивке крыла и фюзеляжа, излучающий тепло, выделяемое атомным реактором.
Для системы Aerospaceplane предлагалась и другая концепция, возрожденная через 30 лет в программе NASP, - прямоточный воздушно-реактивный двигатель со сверхзвуковым горением (СПВРД). Впервые применительно к ВКС он обсуждался в 1958 г в техническом отчете Исследовательской лаборатории имени Льюиса NACA. Другие фирмы продолжили исследования ДУ, конструкции и систем по отдельным программам, входящим в общий проект Aerospaceplane. В области усовершенствованной конструкции и материалов работы вели фирмы Lockheed, North American, Solar, General Dynamics и ряд исследовательских лабораторий США. Корпорация Marquardt исследовала систему ожижения воздуха, состоящую из компрессора, теплообменников, сепараторов жидкого воздуха и топливных баков. Продолжалось изучение СПВРД, рассчитанного на скорость, соответствующую числу М = 8, а также двигателя с циклом жидкого воздуха (программы SR.651С и SR.651D).
Необходимость создания СПВРД проистекала из того факта, что стандартный ПВРД с дозвуковым горением не мог эффективно работать на скорости выше числа М=4,0 из-за проблем с давлением и температурой в процессе сгорания. Основной объем работ по СПВРД на ранней стадии был выполнен Антонио Ферри (Antonio Ferri), первоначально в Лаборатории Лэнгли NACA, а затем в компании General Applied Science Laboratories Inc. Исследователи Фред Биллинг (Fred Billing) и Гордон Даггер (Gordon Dugger) из Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса продолжили совершенствовать и расширять концепцию СПВРД. Им помогали авиастроительные и двигателестроительные фирмы, особенно Marquardt. Считалось, что такой двигатель, имеющий на «гиперзвуке» удельный импульс порядка 4000 сек, может быть применен на одноступенчатом ВКС.
Во время этой работы Ферри установил близкие рабочие отношения с одним из наиболее плодовитых американских авиаконструкторов Александром Картвели (Alexander Kartveli), главным инженером Republic Aviation Corp. Коллеги предложили истребитель-перехватчик с ПВРД XF-103, который, как ожидалось, будет летать со скоростью более 4000 км/ч (и это в то время, когда истребитель F-100 Super Sabre фирмы North American только-только смог преодолеть звуковой барьер). СПВРД и Aerospaceplane казались специально созданными друг для друга, и Republic быстро выпустил эскизный проект большого пулеобразного самолета с дельтавидным крылом тонкого профиля. Отличительными чертами аппарата должен был стать ряд воздухозаборников и выхлопных отверстий вокруг фюзеляжа для комбинированной ДУ на базе СПВРД и ЖРД, который монтировался в отстоящем хвосте. Несколько позже картина изменилась на ставшую теперь классической форму СПВРД внешнего сгорания в нижней части фюзеляжа непосредственно под стреловидным крылом.
Тактико-технические требования по полезному грузу включали экипаж из трех человек и грузовой отсек размером 40x25x10 футов (12,2x7,6x3,1 м). В какой-то момент проектанты из North American и Douglas по собственной инициативе рассматривали идею дозаправки ВКС при полете со скоростью, соответствующей числу М=6,0, с использованием специальной системы под названием HIRES (Hypersonic In-flight Refueling System). Эта концепция продвинулась так далеко. что идею планировалось проверить с помощью двух специально переоборудованных самолетов X-15. По счастью для программы экспериментального ракетоплана, демонстрация дозаправки так и не была предпринята. ВВС США испытывали по поводу концепции Aerospaceplane значительный энтузиазм, поскольку система предполагала большую гибкость для ряда военных миссий, включая снабжение орбитальных станций, спасательные операции и обслуживание спутников. ВКС потенциально предполагал быстрый метод доставки критически важных военных грузов из одной точки Земли до другой. Министерство обороны ожидало получить работоспособную систему к 1970 г, потратив при этом в общей сложности 5 млрд $.
Однако в реальности работы столкнулись с огромными трудностями, и в конце 1962 г базовый проект был изменен с одноступенчатой концепции на менее рискованную двухступенчатую. По результатам исследований, относительная масса конструкции двухступенчатого аппарата была приемлемой. Учитывая эти возможности, а также необходимость иметь на более раннем этапе транспортный аппарат для перевозок с Земли на орбитальные станции, стало целесообразным вести разработку системы в два этапа: вначале двухступенчатой, и затем одноступенчатой (первое и второе поколения ВКС). Обширные исследования пересмотренной системы предприняли семь компаний - Boeing, Douglas, General Dynamics, Goodyear, Lockheed, North American и Republic. 21 июня 1963 г три подрядчика - Douglas, General Dynamics и North American - получили контракты на 500 тыс $ от Дивизии авиационных систем ВВС США на детальное планирование разработки.
Кроме того, фирма Martin Marietta получила от Отделения конструкций Лаборатории динамики полета контракт и построила полноразмерную конструкцию, представляющую собой фрагмент фюзеляжа с крылом одного из возможных ВКС. Проект как первой, так и второй ступеней системы требовал резкого скачка в технологиях. В конструкции предполагалось применить нержавеющую сталь, титан, сплав инконель или другие, а передние части крыла и фюзеляжа изготавливать из жаростойких материалов, таких как молибден и ниобий. Сообщалось, что «требуется проведение больших исследований для решения проблем, связанных с сочетанием этих материалов с основной конструкцией, работающей в условиях нагрева в диапазоне температур 820-1100°С, с обеспечением передачи тепла к тепло-поглотителям или изысканием другой системы охлаждения для отвода тепла в течение нескольких минут».
Основные проблемы конструкции были связаны с необходимостью сопряжения с фюзеляжем крупногабаритных воздухозаборников для обеспечения работы ВРД на больших высотах и скоростях (М=5-8) с учетом того, что самолет должен иметь минимальное сопротивление и большую подъемную силу. Кроме того, необходимо было спроектировать конструкцию с огромной разностью температур: внутренние отсеки содержали криогенный жидкий водород, а внешние части нагревались докрасна. Учитывая, что жидкий водород кипит при -253°С, разность температур между внутренними и внешними частями ЛА могла достигать 1325°С. Трудности были велики, и уже в декабре 1960 г Научный консультативный комитет ВВС (Science Advisory Board, SAB) предупредил, что по программе Aerospaceplane слишком много внимания уделяется аспектам эксплуатации ВКС и абсолютно недостаточно - опытно-конструкторским работам.
В июне 1963 г ВВС США выдали фирмам General Dynamics, North American и Douglas заказы общей стоимостью 1,5 млн $ на проведение исследований двухступенчатого ВКС с ДУ с циклом жидкого воздуха. Резюме: полет в атмосфере будет осуществляться с ПВРД, воздухозаборник которого служит одновременно для аккумулирования атмосферного воздуха и по окончании цикла накопления кислорода закрывается, а двигатель продолжает работать как ЖРД. Как и ранее, в программе предполагалось использовать данные, полученные при разработке самолета RS.70, ракетопланов X-20 Dyna-Soar и X-15. Министр обороны заявил, что ВКС основан на «совершенно новой концепции, предусматривающей самолет, взлетающий с обычной ВПП, совершающий полет по орбите и возвращающийся на землю». По его мнению, Aerospaceplane «исключит необходимость применения одноразовых РН и будет применяться для снабжения орбитальных станций или инспекции подозрительных объектов в космосе». Однако, по заявлению представителей ВВС США, выдача данных контрактов еще не означала постройки реального ЛА; цель исследований - «развитие современной техники».
В октябре 1963 г. помощник министра ВВС по НИОКР подверг критике концепцию одноступенчатого ВКС. Он заявил, что «ставить задачу в таком плане - это значит откладывать успешное выполнение ее на несколько лет». Вместе с тем он поддержал идею использования сверхзвукового или гиперзвукового самолета в качестве первой ступени. Он охарактеризовал самолет для запуска ракет как один из нескольких ЛА, который может обеспечить мобильность пусковых устройств для запуска снарядов. По его мнению, «полученная комбинация самолета и КА могла бы иметь преимущества с точки зрения эксплуатации и экономики». Тогда же, в октябре 1963 г., комитет SAB заключил, что «современное состояние техники и технологии недостаточно для разработки многоразового КА, а ВВС не выставили никаких адекватных требований для чисто космической транспортной системы многократного использования».
Более чем за четыре года, включая 1963 г, ВВС США затратили на исследования ВКС 46 млн $. Для продолжения исследований в 1964 г намечались ассигнования в сумме 19 млн $, и еще 4 млн намечалось выделить по программе исследований для NASA. Однако в силу отрицательного заключения SAB средства на проект ВКС были исключены из бюджетного запроса на 1964 г., и программа Aerospaceplane была закрыта. Исследования по спецификации SR.651 разрешили продолжить, но перенесли центр тяжести на разработку различных технологий, требуемых для активного гиперзвукового полета в пределах атмосферы Земли. ВВС пытались возражать, что исследование должно также включить изучение потенциала таких аппаратов как платформ для запуска пилотируемых и беспилотных ПГ Результаты исследований засекречены до сих пор...
