Назначение и проектирование системы
Указанные выше проекты прорабатывались, что называется, ни шатко ни валко вплоть до 4 октября 1957 г. В этот день США вдруг оказались перед лицом оглушительного политического и технического поражения: СССР первым запустил на орбиту искусственный спутник Земли! Это событие и послужило толчком к ускорению работ по концептуальному определению облика различных пилотируемых КА. Как пишут некоторые историки. Соединенные Штаты испугались не Спутника как такового: их «терзали смутные предчувствия» предстоящего проигрыша и в гонке за запуск первого человека в космос. Всего через неделю после запуска Спутника, 10 октября 1957 г.. Командование ARDC приняло решение объединить работы по двум разрабатываемым разными фирмами военным проектам Brass Bell - RoBo и HYWARDS в один план, получивший название System 464L, или Dyna-Soar («Dynamic Soarer»).

Любопытно, что основной причиной, по которой ракетоплан (или, точнее говоря, космоплан) получил такое название, было применение в схеме полета волнообразной траектории при сходе с орбиты - как у «антипода» Эйгена Зенгера. Предполагалось, что такая траектория будет способствовать не только увеличению дальности за счет эффективного использования аэродинамического качества, но и сбросу тепла нагревшейся конструкции в окружающее космическое пространство во время «выныривания» из атмосферы. А это, в свою очередь, позволяло существенно облегчить задачу создания надежной теплозащиты ВКА. Четырьмя днями позже ВВС и NACA договорились о совместной реализации этого проекта в качестве третьего этапа программы экспериментальных ракетных самолетов США, начавшейся с X-1 и продолженной X-15). Направление работ по совместному проекту было определено на трехдневном заседании Руководящего комитета по гиперзвуковым исследованиям NACA, состоявшимся 18-20 октября 1957 г в Лаборатории имени Эймса.

21 декабря Командование ARDC выпустило «Директиву по разработке системы 464L» по первому этапу трехэтапной программы Dyna-Soar. Цель этапа состояла в том, чтобы построить небольшой одноместный гиперзвуковой ракетоплан - демонстратор концепции, предназначенный для сбора данных о режимах полета, значительно превышающих высоты и скорости самолета X-15. Тем самым создавалось средств для оценки применимости различных подсистем с военной точки зрения. Предполагалось достичь скоростей 12250 миль/ч (почти 5500 м/с) и высоты 170000 футов (52 км), используя стартовый ускоритель, выбранный для HYWARDS. На втором этапе предполагалось достичь целей, намеченных ранее для Brass Bell. Двухступенчатый стартовый ускоритель разгоняет ЛА до скорости 15 000 миль/ч (6700 м/с) на высоте 350 000 футов (107 км), откуда он планирует на дальность 5750 миль (9250 км). В полете система должна выполнять высокодетальное фотографирование и радиолокационную разведку наземных объектов, а в некоторых случаях проводить «ограниченные бомбардировочные миссии».

Аппарат последнего, третьего, этапа обладал бы большинством возможностей, предусмотренных для программы RoBo. Однако в данном случае подразумевалось создание более сложного ЛА, способного решать следующие задачи:
- осуществление разведывательно-ударных миссий;
- инспектирование спутников;
- выполнение спасательных работ;
- транспортировка грузов;
- выполнение функций космического командного пункта по управлению наземными войсковыми операциями.

Таким образом, система представлялась военным многоцелевой. Помимо того, что космоплан Dyna-Soar знаменовал рождение нового вида воздушного транспорта, он вносил совершенно новые принципы и в военные операции. Сочетая огромную скорость ракеты с управляемостью самолета, «космоплан обеспечивал пилоту свободу действий наряду с практически неограниченным выбором полетных маршрутов». Итак, первым и вторым этапом плана предусматривалось осуществление суборбитальных полетов, а третий предполагал создание полноценного орбитального комплекса. Средства для достижения поставленных целей также были различными. «Прыжок в космос» предполагал следующие основные этапы: вертикальный старт ракетой Atlas или Titan (а в последующем - носителем семейства Saturn), баллистический «заатмосферный» полет с определенными возможностями по ракетодинамическому маневрированию, вход в атмосферу и управляемый планирующий гиперзвуковой полет с последующей горизонтальной посадкой на аэродром.

Программа исследований была составлена ВВС в ноябре 1957 г. и опубликована 1 января 1958 г. Тогда же был утвержден план работ по перспективному космоплану и выделены первые средства - 3 млн $. 25 января ВВС США обратились к 10 аэрокосмическим фирмам (позднее к ним добавились еще три) с просьбой представить свои предложения по этой теме. Параллельно с конкурсом ВВС шла общая оценка проектов орбитальных пилотируемых кораблей. Состоялись две крупные научные конференции -29-31 января на авиабазе Райт-Паттерсон и 18-20 марта в Лаборатории имени Эймса. Ученые и представители авиационных компаний предложили три различных подхода к выполнению пилотируемого космического полета. Меньшая часть специалистов во главе с Максимом Фаже (Maxime А. Faget) из Лаборатории Лэнгли приводила доводы в пользу корабля-капсулы - чисто баллистического тела затупленной формы. Специалисты из Лаборатории Эймса во главе с Альфредом Эггерсом выдвинули концепцию аппарата М-1 с несущим корпусом, обладавшего умеренным аэродинамическим качеством, которое позволяло ему совершать ограниченные маневры во время входа в атмосферу. Большинство, однако, с подачи Джона Беккера выступило в поддержку гиперзвукового планера с плоской нижней частью.

Разумеется, выбор крылатой схемы специалистами, которые всю жизнь занимались аппаратами для полета в атмосфере, был закономерен и обуславливался их значительным опытом, малой изученностью характеристик баллистических капсул, невысокой маневренностью последних, а также значительным уровнем предполагаемых затрат на проведение поисково-спасательных работ. И совсем иные соображения, связанные со сроками и с грузоподъемностью имеющихся носителей, обусловили выбор схемы Фаже для первого американского орбитального корабля Mercury. (Интересно отметить, что более поздние проекты капсул NASA имели некоторое аэродинамическое качество, что позволяло им фактически копировать со схемой «несущий корпус».

К марту 1958 г на конкурс по Dyna-Soar поступили девять предложений. В трех проектах (Republic, Lockheed и North American) фигурировали сателлоиды - крылатые аппараты, достигающие орбитальной скорости 7800 м/с и высоты 120 км и более. В еще шести проектах (Convair, Douglas, McDonnell, Northrop, Bell - Martin, Boeing - Vought) рассматривались изделия с более высоким аэродинамическим качеством, способные к «рикошетирующему» полету по Зенгеру на более низких высотах. 16 июня были выбраны для детального изучения два проекта. Один, предложенный совместно компаниями Bell и Martin, предусматривал создание двухместного космоплана массой 13 300 фунтов (6030 кг), запускаемого с помощью модифицированной МБР Titan. Другой был выдвинут компаниями Boeing и Chance Vought - они предложили легкий одноместный космоплан массой 6500 фунтов (2950 кг), запускаемый с помощью РН на базе нескольких твердотопливных двигателей МБР Minuteman.

Еще во время конкурса, 20 мая, ВВС и NACA заключили соглашение, в соответствии с которым Dyna-Soar считался совместным проектом, причем ВВС финансировали его и осуществляли общий технический контроль, а Комитет по аэронавтике давал необходимые консультации и оказывал помощь. Эксперты NACA (затем NASA) приняли активное участие в отборе проектов Dyna-Soar. В частности, Джон Беккер выступал за вариант Boeing: хотя этот легкий космоплан с несущим корпусом мог нести всего 500 фунтов полезного груза (227 кг; по существу - одного лишь пилота в скафандре), он казался проще и легче в реализации, чем аппарат Bell - Martin с системой охлаждения передних кромок крыла и оперения методом циркуляции жидкого хладагента. Пока, однако, обе группы получили годовые контракты по 9 млн $ каждая.

В течение полутора лет назначение аппарата, средства выведения, планы работ и прочие составляющие проекта многократно уточнялись из-за постоянно менявшихся требований и споров между Министерством обороны, которое рассматривало Dyna-Soar лишь как суборбитальный исследовательский проект, и ВВС США, требования которых включали создание орбитального аппарата с военными возможностями. 1 ноября 1959 г. управление проекта представило три этапа Dyna-Soar. Первый шаг - пилотируемый планер массой от 2980 до 4268 кг для запуска по суборбитальной траектории с помощью модифицированной МБР Titan I. Второй - достижение орбитальных скоростей и выполнение «ограниченных военных миссий» на более мощной РН. Третий - создание полномасштабной орбитальной системы оружия с применением нового носителя Titan III.

Серию из 19 летных испытаний аппарата со сбросом с самолета-носителя предполагалось начать в апреле 1962 г. На июль 1963 г. намечался первый беспилотный суборбитальный полет. Восемь пилотируемых суборбитальных пусков планировалось провести начиная с мая 1964 г. суммарные расходы на этот первый этап программы оценивались в 493,6 млн $. Первый пилотируемый орбитальный полет мог быть выполнен в августе 1965 г. 2 ноября этот план был одобрен Комитетом систем оружия ВВС США, а 17 ноября Dyna-Soar получил официальное обозначение WS-620A. 9 ноября 1959 года группа Boeing-Vought была объявлена победителем конкурса на космоплан, а Martin получила 11 декабря контракт на разработку варианта ракеты Titan для пилотируемого полета. Компания Bell, с усилиями которой начиналась вся эта эпопея, осталась «за бортом».

27 апреля 1960 г. ВВС заказали десять экземпляров Dyna-Soar и присвоили им серийные номера (от 61-2374 до 61-2383). Поставку двух изделий в предусматривалась в течение 1965 г., четырех - в 1966 т. и двух в 1967 г. Еще два фюзеляжа использовались для статических испытаний и беспилотных сбросов с самолета-носителя. В декабре 1960 г. было объявлено о заключении двух дополнительных контрактов: с Honeywell на разработку основных бортовых систем и с RCA на разработку систем связи и передачи данных.

Поиск лица системы

Формирование технического облика ВКА, а также разработка технологических решений продвигались тяжело. Уже после выбора разработчика на проработку проекта ушло еще два года. На первом этапе было исследовано несметное число конструктивных решений. Был даже учрежден специальный комитет, известный как «Группа Альфа», для сравнения технических данных и проектов, касавшихся определения облика аппарата Dyna-Soar. Обилие различных вариантов конструкции - одна из причин, по которой техническое описание системы представляет некоторые трудности. Окончательный вариант проекта Dyna-Soar сложился в результате более чем 14000 часов продувок в различных аэродинамических трубах. В частности, модели разных масштабов продувались 8500 часов часов на дозвуковых скоростях, 2700 часов - на сверхзвуковых и 1800 - на гиперзвуковых скоростях при числах М > 15.

По иронии судьбы, ПКА, который стал результатом этих изысканий, имел куда большее сходство с концепцией, предложенной проигравшей группой Bell-Martin, чем победивший проект группы Boeing-Vought. Он имел дельтавидное крыло с концевыми шайбами вертикальных стабилизаторов и фюзеляж со слегка приподнятой и закругленной носовой частью. ПКА предполагалось изготовить большей частью из экзотического суперсплава Rene 41 на основе никеля по концепции «горячей конструкции», включавшей в себя тепловой экран из молибденового сплава на нижней поверхности. Передние кромки крыла закрыли «черепицей» из сплава молибдена, которая могла выдерживать температуру до 1650°С. Отдельные места аппарата, которые при входе в атмосферу нагревались до 2400°С и выше, могли быть защищены армированным графитом и цирконием (в частности, полусферический колпак в носовой части фюзеляжа).

До весны 1961 г был выполнен значительный объем работ в области конструкции и аэродинамики аппарата. Свыше 1600 инженеров, занятых в проекте, разрабатывали различные механические, гидравлические и электронные системы, создавали систему управления и другие агрегаты Dyna-Soar. К этому времени Boeing заключил контракты с рядом фирм на разработку специализированного оборудования. Так, фирме Thiokol было предложено разработать небольшой РДТТ для дополнительного разгона космоплана после прекращения работы двигателя последней ступени РН, а также для отделения аппарата в случае аварии носителя на старте или на траектории выведения. Этот двигатель с системой управления вектором тяги должен был обеспечить аппарату достаточную скорость для отрыва от поврежденной РН и выполнения планирующей посадки обычным способом.

Поскольку большая часть агрегатов посадочного шасси была расположена в зоне «горячей конструкции», применить обычные резиновые колеса и гидропневматические амортизаторы было невозможно. Разработчики снабдили основные опоры шасси убирающимися лыжами с проволочными щетками, а носовую опору - эллиптической «тарелкой» с металлокерамической нижней поверхностью. Стойки шасси изготавливались из Rene 41, энергия удара гасилась за счет вытягивания одноразовых амортизационных стержней из инконеля. Космоплан должен был совершать посадку на лыжи с большим углом атаки; по мере потери скорости нос аппарата опускался, и он останавливался, опираясь на все три поверхности трения.

РСУ космоплана разрабатывала фирма Thompson Ramo Wooldridge Inc. (TRW). Поскольку в качестве вспомогательной силовой установки (ВСУ), вырабатывавшей электроэнергию на всех участках полета, на Dyna-Soar предусматривался газотурбинный электрогенератор, работавший на кислородно-водородном топливе, фирма намеревалась использовать полученный выхлоп (так называемый «парогаз» - смесь водяного пара и водорода), создав систему, в которой горячие газы будут истекать через сопла, расположенные в наружной обшивке аппарата. Неизвестно, удалось ли воплотить это в железо, поскольку в окончательном варианте для управления на участке спуска планер был оборудован РСУ с микродвигателями, работавшими на перекиси водорода. Большой проблемой было изыскание металлических материалов нужного качества и в достаточном количестве. Значительная часть первоначальных исследований состояла в испытаниях образцов материалов при высоких температурах и изготовлении из них элементов конструкции.

Многие жаропрочные сплавы никогда не производились в больших количествах или в таком виде, как это было нужно для изготовления деталей конструкции Dyna-Soar. Кроме того, возникли трудности в технологии сварки, обработки резанием и ковке этих прочных и иногда весьма хрупких сплавов. Способы соединений с помощью заклепок, болтов и винтов также нужно было приспособить к новым материалам. Одним из наиболее перспективных сплавов считался молибденовый, хотя он имел большой недостаток: если поверхность этого сплава не была в достаточной степени изолирована от соприкосновения с воздухом, то при высоких температурах он очень быстро окислялся. По существу, это было главной проблемой, стоявшей перед командой проекта в отношении жаропрочных металлов. Поскольку специальные сплавы подвергались большим нагрузкам при высоких температурах, велик был риск окисления, растрескивания и разрушения конструкции.

Проблема была выявлена, в частности, при испытаниях материала TZM (сплава из титана и молибдена в равных долях, с небольшими добавками циркония) по программе ASSET. После полетов моделей на деталях из этого сплава лишь небольшие участки показали признаки окисления, которые на первый взгляд не представляли особой опасности. Однако когда был снят защитный слой, оказалось, что молибденовая обшивка продырявлена во многих местах. Причиной были незначительные трещины в защитном материале, через которые молекулы воздуха проникли к поверхности сплава. Boeing продолжал исследования сплавов ниобия и молибдена в течение двух лет. При этом, например, было установлено, что на образце из сплава ниобия, помещенном в поток горячего воздуха, образуются желто-белые окислы, которые плавятся при температуре 1454°С, и при этом основной металл раскаляется и быстро разрушается. При нагревании до такой же температуры молибденового сплава он начинал выделять белый дым, и скорость разрушения металла была даже выше, чем у сплава ниобия.

Решение этой проблемы было найдено в разработке стойкого к окислению покрытия Synar I (или «дизил») на основе карбида кремния, которое наносилось поверх металлической конструкции и придавало планеру Dyna-Soar характерный черный цвет. К сожалению. покрытие необходимо было заменять после каждого полета. Испытания, проводившиеся на четырех панелях теплового экрана с пятикратной имитацией (моделированием) возвращения с орбиты, показали, что ремонт покрытия может проводиться при послеполетной проверке. Было установлено, что «дизил», нанесенный на молибден, становится твердым, хорошо сопротивляется эрозии, не имеет пор, отличается устойчивостью к ударным нагрузкам при температуре свьппе 1370 °С, не теряет своих свойств при температуре более 1760°С и имеет поверхностную плотность всего лишь 0,05 кг/м2. После того как это покрытие более часа находилось в потоке окисляющего газа при температуре 1650°С, никаких повреждений в нем обнаружено не было.

Некоторые образцы из этого сплава, покрытые «дизилом», сохраняли свои качества в течение 10-100 час при нагревании в пределах температур 1090-1650°С. Все же вскоре стало очевидным главное отрицательное качество молибденового сплава -его подверженность окислению. Разработчики вынуждены были признать, что необходимость замены покрытия перед каждым новым полетом является существенным эксплуатационным недостатком. Позднее было решено строить несущую конструкцию аппарата в виде фермы с использованием шпилек для соединения элементов, что обеспечивало возможность равномерного расширения при нагревании (подобное решение было впоследствии применено в советском проекте «Спираль»). Носовой конус, который подвергался наибольшему нагреву, было предложено выполнить из циркониево-графитового материала, способного выдерживать температуру до 1900°С. Разработка конструкции носового кока планера Dyna-Soar шла по двум независимым направлениям, причем оба привели к успеху в соответствующих проектах.

Вариант фирмы Vought, который был выбран для летного образца, состоял из графитовой оболочки с кремниевым покрытием, заклеенной сверху циркониевыми плитками, которые удерживались на своем месте с помощью циркониевых штифтов. На случай появления трещин в конструкции штырьки и плитки удерживались на месте с помощью тросов из платиново-родиевой проволоки. Запасной проект фирмы Boeing использовал цельную конструкцию, составленную из циркония, армированного платиново-родиевой проволокой. Во время литья плитки соответствующей формы приваривались к наружной поверхности, обеспечивая тепловое расширение и контроль распространения возможных трещин. Оба проекта носового кока присоединялись к ферменной конструкции фюзеляжа планера при помощи сварного кольца из молибдена TZM, которое использовало цанговые (замковые) зажимы. Это кольцо крепилось к ферме из Rene 41 специально разработанными заклепками, винтами и гайками из молибдена. В менее нагретых частях космоплана решено было применить листовой материал из никелевого сплава Rene 41.

Стендовые испытания, в процессе которых мощные тепловые излучатели нагревали детали конструкции до температуры 1090°С, показали, что расширяющаяся конструкция обладает достаточной жесткостью и прочностью, чтобы выдержать воздействие условий входа в плотные слои атмосферы. Кабина Dyna-Soar также оказалась крепким орешком и потребовала новых проектных решений. Например, нужно было найти способы разместить остекление довольно большой площади (обойтись без которого невозможно, ведь летчику при посадке необходим хороший обзор) внутри каркаса, учитывая температурные и механические (в частности, вызванные внутренним избыточным давлением) деформации частей конструкции, расположенных вокруг остекления. Поскольку эффективной защиты от нагрева для трех передних окон не нашлось, конструкторы вынуждены были применить локальный щит-обтекатель из ниобиевого сплава D-36.

Отдельные боковые панели остекления оставили незакрытыми, поскольку они не подвергались воздействию высокотемпературного набегающего потока. После того, как стадия высокой тепловой нагрузки при возвращении заканчивалась, щит, закрывавший передние окна, сбрасывался, чтобы обеспечить хороший обзор вперед для приземления. В том случае, если обтекатель не сбрасывался, как планировалось, пилот должен был сажать аппарат, используя только боковые окна. Это было непросто, но испытания, проведенные Нейлом Армстронгом в полете на модифицированном самолете Douglas F-5D с имитацией фонаря кабины Dyna-Soar, показали, что такая посадка возможна.

К лету 1961 г. группа Boeing-Vought достигла значительных успехов в разработке базовой концепции планера Dyna-Soar. К этому моменту носовая часть фюзеляжа из экзотического материала «графит-цирконий» была заменена керамическим теплоизолирующим покрытием на основе карбида ниобия. Вначале основная теплозащита аппарата включала «водяную стенку», использовавшую скрытую теплоту испарения воды для рассеивания тепла между внутренними и внешними оболочками. Последние изготавливались из суперсплава Rene 41 либо из молибдена и/или ниобия - в зависимости от их расположения на аппарате. Внутреннюю теплозащиту обеспечивали два новых материала Dyna-Flex и Micro-Quartz. Первый был также известен под названием «серрахром» (Cerrachrome), а второй - как стекловолоконный войлок Q (Q-Fiber Felt). Оба представляют собой волоконный материал, напоминающий строительную изоляцию из прессованной стекловаты, и сейчас применяются в ряде высокотемпературных приложений, в частности на орбитальной ступени системы Space Shuttle.

11 сентября 1961 т. представители ВВС и NASA осмотрели полноразмерный макет Dyna-Soar в на предприятии фирмы Boeing в Сиэттле, после чего вариант теплозащиты с двойной стенкой и водяным охлаждением было решено заменить на простую «горячую конструкцию». Кроме того, макетная комиссия ВВС потребовала от «Боинга» оснастить аппарат системами для многовиткового орбитального полетав и в частности - более сложной системой наведения и ТДУ для схода с орбиты. Были исследованы два различных варианта: установка небольшого тормозного двигателя в хвостовой части аппарата и создание новой верхней ступени. Эта ступень могла использоваться для точного выведения на орбиту, она оставалась присоединенной к планеру и включалась повторно, чтобы обеспечить торможение.

Правильно рассчитанная размерность дополнительной ступени в будущем сулила возможность достижения аппаратом более высоких орбит Благодаря ей Dyna-Soar мог удовлетворить еще и требованиям, выставленным Дивизией космических систем ВВС к системе орбитальной инспекции SAINT II, что избавляло проект от возможного конкурента. Поэтому для боевого космоплана системы Dyna-Soar был выбран второй вариант. 29 сентября 1961 г. ВВС США выдали три контракта на полномасштабную разработку пилотируемого орбитального космоплана. Заказы получили Boeing (разработка планера и связанных с ним систем), Radio Corporation of America (связь и устройства слежения) и Minneapolis-Honeywell Regulator (система наведения). Планировалось в значительной степени использовать аппаратуру, которая уже была испытана на других КА. Например, гиростабилизированная инерциальная платформа почти не отличалась от аналогичного устройства ракетной ступени Centaur, а ее гироскопы выпускались уже более трех лет. Индикаторное оборудование для космоплана разрабатывалось фирмой Central Precision. Интересно, что на экранах, размещенных в кабине, пилот видел несколько маршрутов посадки, из которых он мог выбрать один по своему усмотрению.

Еще 4 мая 1961 г - вскоре после полета Ю.А. Гагарина - Boeing предложил изъять из плана летных испытаний все суборбитальные полеты. 7 октября это предложение было утверждено заказчиком. Первый беспилотный орбитальный полет на РН Titan IIIC планировался теперь на ноябрь 1964 г., а первый орбитальный - на май 1965 т. Разработка системы и летные испытания в период до декабря 1967 г. оценивались в 921 млн $.