"БУРАН" - советский крылатый орбитальный корабль

По программе работ при втором пуске с использованием второго  орбитального корабля планировалось осуществить семисуточный полет в автоматическом режиме. Программой полета предусматривалась стыковка со станцией "Мир" в беспилотном варианте и отработка бортового манипулятора для доставки сменных научных модулей. Третий корабль готовился для пилотируемого полета. На нем должны были ввести все усовершенствования в конструкцию и системы, а также устранить все замечания по первым пускам. В дальнейшем в пилотируемых полетах "Бурана" предполагалось завершить его летную отработку, в том числе при длительных полетах (до 30 суток), и приступить к эксплуатации корабля, включая транспортно-техническое обслуживание орбитальных комплексов и выведение на орбиту беспилотных космических аппаратов. Первый корабль после полета было решено подвергнуть тщательной дефектации. Позже он использовался для отработки транспортировки корабля в полной комплектации на самолете "Мрия".

Многоразовый орбитальный корабль "Буран" - это принципиально новый космический аппарат, объединяющий в себе весь накопленный опыт ракетно-космической и авиационной техники.

Корабль рассчитан на 100 полетов  и может выполнять полеты как  в пилотируемом, так и в беспилотном (автоматическом) варианте. Максимальное количество членов экипажа 10, при этом основной экипаж - 4 человека и до 6 человек - космонавты-исследователи. При стартовой массе до 105 т корабль выводит на орбиту полезный груз массой до 30 т и возвращает с орбиты на Землю груз массой до 20 т. Отсек полезного груза позволяет размещать груз длиной до 17 м и диаметром до 4,5 м. Диапазон высот рабочих орбит 200-1000 км при наклонениях от 51 до 110 . Расчетная продолжительность полета 7-30 суток. Обладая высоким аэродинамическим качеством, корабль может совершать боковой маневр в атмосфере до 2000 км. По аэродинамической схеме корабль "Буран" представляет собой моноплан с низкорасположенным крылом, выполненный по схеме "бесхвостка". Корпус корабля выполнен негерметичным, в носовой части находится герметичная кабина общим объемом более 70 куб.м, в которой располагается экипаж и основная часть аппаратуры. С внешней стороны корпуса наносится специальное теплозащитное покрытие. Покрытие используется двух типов в зависимости от места установки: в виде плиток на основе супертонкого кварцевого волокна и гибких элементов высокотемпературных органических волокон. Для наиболее теплонапряженных участков корпуса, таких, как кромки крыла и носовой кок, используется конструкционный материал на основе углерода. Всего на наружную поверхность "Бурана" нанесено свыше 39 тысяч плиток. Система управления основана на бортовом многомашинном комплексе и гиростабилизированных платформах. Она осуществляет как управление движением на всех участках полета, так и управление работой бортовых систем. Одной из основных проблем при ее проектировании была проблема создания и отработки математического обеспечения. Автономная система управления совместно с радиотехнической системой "Вымпел" разработки Всесоюзного научно-исследовательского института радиоаппаратуры (Г.Н.Громов), предназначенной для высокоточных измерений на борту навигационных параметров, обеспечивает спуск и автоматическую посадку, включая пробег по полосе до останова. Система контроля и диагностики, примененная здесь впервые на космических аппаратах как централизованная иерархическая система, построена на встроенных в системы средствах и на реализации алгоритмов контроля и диагностики в бортовом вычислительном комплексе. При этом было принято и реализовано принципиальное решение - использовать в качестве входной информации данные системы бортовых измерений, которые до этого традиционно применялись только для передачи измерений в Центр управления полетом, но не включались в бортовой контур управления, считаясь ненадежными. На ОК "Буран" же был проведен специальный анализ измерительных трактов с обеспечением необходимого резервирования для исключения ложных сигналов.

Радиотехнический комплекс связи  и управления поддерживает связь  орбитального корабля с ЦУП. Для  обеспечения связи через спутники-ретрансляторы разработаны специальные фазированные антенные решетки, с помощью которых осуществляется связь при любой ориентации корабля. Система отображения информации и органов ручного управления обеспечивает экипаж информацией о работе систем и корабля в целом и содержит органы ручного управления в орбитальном полете и при посадке. Система электропитания корабля, созданная в НПО "Энергия", построена на базе электрохимических генераторов с водородно-кислородными топливными элементами разработки Уральского электрохимического комбината (А.И.Савчук). Мощность системы электропитания до 30 кВт при удельной энергоемкости до 600 Вт.ч/кг, что значительно превышает удельные параметры перспективных аккумуляторных батарей. При ее создании пришлось среди многих решить две основные проблемы: разработать впервые в СССР принципиально новый источник электроэнергии - электрохимический генератор на основе топливных элементов с матричным электролитом, обеспечивающий непосредственное преобразование химической энергии водорода и кислорода в электроэнергию и воду и разработать впервые в мире систему космического криогенного докритического (двухфазного) хранения водорода и кислорода без потерь. Система электропитания состоит из четырех ЭХГ, смонтированных совместно с пневмоарматурой и теплообменниками на раме в виде единого энергоблока, двух сферических криостатов с жидким водородом и двух сферических криостатов с жидким кислородом, двух блоков дренажа водорода и кислорода, через которые может также осуществляться аварийный сброс воды, вырабатываемой ЭХГ, и приборного модуля, в котором размещены приборы автоматического контроля и управления, а также электросиловой коммутации. Три электрохимических генератора из четырех обеспечивают штатную программу полета, два ЭХГ - посадку в аварийной ситуации. Секционирование хранения и подачи в ЭХГ водорода и кислорода также увеличивает надежность выполнения программы полета. Орбитальный корабль "Буран" снабжен бортовым комплексом обслуживания полезных грузов, включающим в себя бортовой манипулятор для различных операций с полезными грузами на орбите.

Особо необходимо остановиться на объединенной двигательной установке. Эта сложнейшая установка разработана в НПО "Энергия" при головной роли комплекса 27 (руководитель комплекса Б.А.Соколов). ОДУ, работающая на экологически чистых компонентах топлива - жидком кислороде и синтетическом углеводородном горючем синтин, предназначена для выполнения всех динамических операций орбитального корабля с момента прекращения работы II ступени ракеты-носителя "Энергия" до завершения спуска орбитального корабля в атмосфере. Жидкий кислород в паре с синтетическим углеводородом повышенной калорийности существенно повышает энергетические возможности орбитального корабля и одновременно делает его эксплуатацию более безопасной и экологически чистой, что особенно важно для многоразовых транспортных космических систем, а использование кислорода позволяет связать ОДУ с такими бортовыми системами, как системы электропитания и жизнеобеспечения.

Впервые в практике двигателестроения была создана объединенная двигательная установка, включающая топливные баки окислителя и горючего со средствами заправки, термостатирования, наддува, забора жидкости в невесомости, аппаратурой системы управления и т.п. Если оценивать по степени сложности и трудоемкости ракетные разгонные блоки, изготовленные в предыдущие годы, то ОДУ по степени насыщенности пневмогидравлическими системами, приборами и бортовой кабельной сетью, видами и объемами проверок на герметичность и контролю по установке двигателей можно отнести к самому сложному и трудоемкому изделию. Техническое своеобразие ОДУ, по сравнению с другими разработками аналогичного назначения, во многом определялось и определяется повышенными требованиями к безопасности и надежности, многократностью использования, участием в выходе из нештатных ситуаций, изменением ориентации перегрузок при входе в атмосферу и другими особенностями. Большинство новых технических решений при создании ОДУ было связано с транспортированием жидкого кислорода по длинным трубопроводам к управляющим двигателям ориентации и его длительным хранением на орбите; большим влиянием массы топлива на центровку ОК как крылатого летательного аппарата; специфическими требованиями к ОДУ как элементу многоразовой космической системы (увеличенный ресурс, большие нагрузки, операционная гибкость и др.), а также с рядом технических решений, потребовавших разработки качественно новых средств контроля, диагностики и аварийной защиты двигателей и систем ОДУ. Объединенная двигательная установка состоит:

Размещение двигателей управления на носовой и хвостовой частях ОК позволяет более эффективно управлять его положением в пространстве, в том числе выполнять координатные перемещения по всем осям.

При создании ОДУ были решены сложные  научно-технические проблемы, в основном связанные с использованием жидкого кислорода. Весь запас жидкого кислорода для маршевых и управляющих двигателей размещается в едином теплоизолированном баке при низком давлении, причем использование глубоко охлажденного жидкого кислорода и активных средств его перемешивания позволило избежать потерь на испарение в полете в течение 15-20 суток без применения холодильной машины. Особое внимание уделялось надежности и безопасности ОДУ. Были разработаны новые средства контроля, диагностики и аварийной защиты работы ОДУ с учетом резервирования ее элементов: в случае возникновения неисправности заблаговременно определялись и локализовались, а также подключались резервные элементы или предпринимались другие защитные действия (например, изменялась программа полета), что требовало разработки и аппаратурной реализации большого количества различных алгоритмов контроля, диагностирования и аварийной защиты, работающих в автоматическом режиме, для различных систем со сложными рабочими процессами. В итоге была создана система контроля и диагностики, способная анализировать около 80 аналоговых и 300 релейных сигналов и выдавать почти 300 различных команд по коррекции работы агрегатов ОДУ.

Общепринятым и традиционным при  создании двигателей и двигательных установок был поэтапный подход к отработке двигателей с автономными испытаниями отдельных элементов и узлов. Часто при создании новых узлов параллельно разрабатывались и испытывались несколько их вариантов, из которых в конечном счете выбирался лучший. После испытаний и определения пределов работоспособности отдельных узлов начинались комплексные испытания в полном составе. Такой подход позволял испытывать каждый элемент в более тяжелых условиях, чем при штатной эксплуатации в составе двигателя, и обеспечивать высокую надежность, хотя и отличался повышенной длительностью и большими затратами. Объединенная двигательная установка изготавливалась на ЗЭМ, испытания агрегатов, двигателей и отдельных элементов систем проводились на стендах НПО "Энергия", комплексные испытания, а также испытания ОДУ в вертикальном и горизонтальном положениях - на стенде Приморского филиала НПО "Энергия" (В.В.Елфимов).

Сборка ОДУ шла параллельно  с отработкой агрегатов, узлов, блоков. Одна из самых крупных доработок  проводилась на ОДУ первого орбитального корабля "Буран" после неудачных испытаний первого стендового варианта ОДУ на комплексном стенде Приморского филиала НПО "Энергия". После замены некондиционных блоков, узлов, арматуры в течение четырех месяцев пневмогидросистема ОДУ была восстановлена и обеспечила выполнение первого полета. Разработка объединенной двигательной установки орбитального корабля "Буран" в НПО "Энергия" стала началом создания нового, перспективного класса двигательных установок, первым шагом в применении высокоэффективных нетоксичных криогенных топлив для космических летательных аппаратов. Создание орбитального корабля "Буран", наиболее сложного из всех разработанных НПО Энергия изделий, потребовало качественно нового подхода к проектированию, разработке и испытаниям. Была проведена комплексная системная увязка корабля, определены его основные характеристики и требования по всем составляющим.

Одной из основных задач в техническом  и организационном плане являлась разработка системы управления корабля. Она должна была обеспечить управление как всеми орбитальными режимами, так и автоматическими алгоритмами спуска в атмосфере и посадку на аэродром, что требовало объединения опыта космической и авиационной отраслей. По всем задачам управления требовалось обеспечить рациональное распределение функций между автоматическим и ручным управлением и управлением из ЦУП. При этом в соответствии с тактико-техническими требованиями к кораблю "Буран" и традицией отработки изделий, начиная с беспилотных кораблей, все режимы должны были выполняться автоматически.

Системный подход к построению бортового  комплекса позволил создать надежные средства управления. В НПО "Энергия" были с самого начала проведены мероприятия  по организации этой работы - в комплексе 3 с этой целью был образован  отдел 039 (начальник отдела В.П.Хорунов) и введена должность заместителя руководителя комплекса 3 по этому направлению (О.И.Бабков).

Летом 1976 года на предприятие НПО АП (Н.А.Пилюгин) сотрудниками направления, возглавляемого заместителем генерального конструктора Б.Е.Чертоком, было выдано техническое задание на единый бортовой комплекс (БКУ) управления ОК "Буран" и РН "Энергия". БКУ включал функционально в себя все системы, обеспечивающие управление полетом, такие, как: система управления движением и навигации, система управления бортовыми системами, система контроля и диагностики, бортовой радиотехнический комплекс, система бортовых телеизмерений, система распределения электроэнергии и коммутации, система отображения информации и органов ручного управления.

В 1978 году система управления РН "Энергия" была передана в НПО ЭП (В.Г.Сергеев), Украина. Произошло также уточнение  распределения работ и ответственности  по БКУ между тремя головными  организациями: НПО "Энергия", НПО "Молния" и НПО АП. Работы в НПО "Энергия" оказались столь объемными, что пришлось организовать в 1978 году новый, 030 отдел (начальник отдела А.А.Щукин), а затем в 1980 году комплекс 15 (руководитель комплекса О.И.Бабков), После передачи в 1981 году работ по ОК "Буран" в службу главного конструктора Ю.П.Семенова комплекс 15 был также реорганизован и сосредоточился только на работах по орбитальному кораблю, координируя также работу целого ряда подразделений предприятия. В 1984 году была введена должность заместителя генерального конструктора для решения вопросов со смежными организациями и руководящими инстанциями (О.И.Бабков), На следующем этапе (примерно с 1980 года) определились значительные трудности с созданием математического обеспечения бортового вычислительного комплекса. Требовалось разработать большой объем математического обеспечения (300 тысяч машинных команд), разместить его в ограниченном по ресурсам БВК и обеспечить высокую степень отработанности и надежности. Силами одного НПО АП решить эту задачу не представлялось возможным. Поэтому в августе 1983 года по инициативе НПО "Энергия" вышло специальное решение Правительства по вопросу создания математического обеспечения ОК "Буран". В нем был определен состав предприятий-разработчиков МО и оговорены мероприятия по усилению этих работ. НПО АП определено головным предприятием. Была проделана большая работа по определению структуры МО, разработке систем отладки и языков высокого уровня, методик отработки, системы документирования и выдачи заключений по всем этапам отработок и испытаний. Впервые на космических объектах была создана четкая иерархическая структура управления программой работы изделия, начиная с общего плана полета и до управления отдельными системами, что позволило структурировать программные единицы и распределить работу по многим исполнителям. Разработка математического обеспечения подразделениями НПО "Энергия" проводилась по разделам: программа работы бортовых систем, общий план полета, прием командно-программной информации на борту, полетное задание, программное обеспечение Центра управления полетом, диагностика бортовых систем и логика их работы, система автоматизации отработки программного обеспечения, документирование приемно-сдаточных испытаний и выдача заключений. Особое значение при создании математического обеспечения ОК "Буран" придавалось его отработке. При отсутствии в отечественной и мировой практике достоверных критериев надежности только большое количество статистических данных по отработке позволяли сделать заключение о высокой степени работоспособности МО. Отработка МО проходила поэтапно: автономная отработка отдельных программ на универсальных вычислительных машинах на всех предприятиях; совместная отработка программ каждого предприятия; комплексная отработка на стендах НПО АП, где формировались в целом загрузки памяти БВК для типовых полетных операций и отрабатывались как с моделированием движения корабля, так и в испытательной модификации для проведения испытаний на ОК-КС НПО "Энергия"; отработка на комплексном моделирующем стенде НПО "Энергия"; испытания на ОК-КС совместно с реальной аппаратурой с выдачей заключения для отправки на технический комплекс; испытания на летном изделии.