A szovjet Spirál katonai űrrepülőgép-rendszer, 1. rész

2017. február 05. 17:50 - Maga Lenin

Ezúttal egy, a korát és a lehetőségeket messze megelőző szovjet programról lesz szó, melynek célja egy rugalmasan és (viszonylag) gazdaságosan használható, alacsony Föld körüli pályát elérni képes, repülőgép-szerű űrhajó és a hozzá tartozó kiegészítők megalkotása volt. Mindez a blogon már számtalanszor szerepelt, nagyratörő tervekkel teli '60-as (és '70-es) években. A mostani, első részben - szokás szerint - kissé távolabbról indul a történet.

nyito1_spiral.jpg

A világűrbe, de hogyan?

A történelmi előzmények és az addigi technikai fejlesztések iránya nyomán az 1940-es évtizedben elérhető közelségbe került a világűr, mégpedig rakétamotorok hajtotta eszközökkel. A második világháború után kezdődő, szuperhatalmak közötti űrverseny kíméletlenül előtérbe hozta a legegyszerűbb, és így leggyorsabb megoldásokat. Ezért, bár a kezdetektől foglalkoztatta a szakembereket a repülőgépszerűen használható űrhajó, ehhez mérten a többfokozatú hordozórakétára szerelt, ballisztikus pályákat használó űrkapszula ránézésre is 10 évvel hamarabb elkészülhetett. Ez pedig hamar eldöntötte a fő fejlesztési irányt mind keleten, mind nyugaton. Mindez elsősorban az emberes küldetésekre vonatkozik, de alapvetően igaz az automatikus eszközök űrbe juttatására is. Hamarosan tehát rendelkezésre álltak az első, a katonai ballisztikus rakétákkal közeli rokonságban álló űrrakéták. Ezek pontos angol megnevezése sokatmondó: expendable launch vehicle, azaz „eldobható” (vagyis nem újrafelhasználható) indítójármű. Első pillantásra is nyilvánvaló a helyzet: a Gagarint felvivő, 151,5 tonnás Vosztok a tetején lévő űrkapszula 4,7 tonnás tömegét szállította az űrbe, vagyis a rakéta tömegének mintegy 3%-át. A rakéta pedig egyáltalán nem volt olcsó, nem szólva a különleges kilövőállásról, és az egész rendszer igen alacsony fokú rugalmasságáról.

vostok.jpg

Gagarin az indítás során, a Vosztok-1-en. A rakéta az R-7 interkontinentális ballisztikus rakéta egyik változatának tekinthető, és jellegzetes formája máig tovább él a Szojuz űrhajók képében. No meg a hatékonysága is – igaz, hogy cserébe a Szojuz az egyik legkiforrottabb emberes hordozóeszköz (forrás)

Mennyivel elegánsabb volna egy, számos reptérről indulni képes, a küldetés típusát, de végrehajtását tekintve is rugalmas, viszonylag tág határok között manőverezhető, és számos alkalommal felhasználható rendszer. Persze azon kívül, hogy elegáns, olcsóbb is, kiszolgálása egyszerűbb, lehetőségei szélesebb körűek, és az sem utolsó szempont, hogy a személyzet fiziológiai terhelése jóval kedvezőbb. Mindezek az előnyök az adott korszakban elsősorban a harci használhatóságot növelték.

Egyébként is, ekkor még az USA is – hiába a NASA – jelentős részben katonai nézőpontból tekintett az egész űrprogramra. Ez nem is csoda, a pénz és a technika egy részét a hadsereg (légierő), a többit meg közvetlenül az állam adta. A hordozórakéták szimbiózisban fejlődtek a hadászati csapásmérő rakétákkal, és korlátlan lehetőségekkel kecsegtetett a világűr hadszíntérré tétele.

Amíg az első űrhajósok szinte mozdulni sem tudtak apró kapszuláikban, vagy Gagarinnak és társainak ejtőernyővel kellett kiugrania a visszatérés során, addig a katonák már egész mást láttak. A kisméretű űrrepülőgépek egy-két fős személyzete kamerákkal fotózhatta a felszínt; radarokkal folytathatott felderítést az óceánokon lévő hajók ellenében; megfigyelhette, megzavarhatta, esetleg meg is semmisíthette az ellenséges műholdakat, akár űrséták során; és kiemelt földi célokra indíthatott atomfegyvereket váratlan irányokból; de védelmi műveleteket és űreszközök karbantartását is elvégezhette. Mindezt egy katonai repülőgéphez hasonlítható környezetben és fizikai terhelések mellett, bármikor és bárhol a világűrben.

 

Űrrepülőgép

Mindezeket az Egyesült Államokban is látták, ezért nem is csoda, hogy 1957. októberében elindították a System 464L Dyna-Soar programot, mely egy, a fentiekben leírtaknak megfelelő űrrepülőgép szolgálatba állítását célozta meg. Igaz, a Dyna-Soar, melyet végül a Boeing fejlesztett X-20 néven, egy hagyományos, egyszer használatos hordozórakétával jutott volna el az űrbe. A költséges projekt azonban műszaki nehézségekbe ütközött, nem volt egyetértés a gyártók és a légierő közt az indító rakéta típusában, és ezek, más gondokkal együtt, 1963-ban a törléshez vezettek. Mai értéken 5 milliárd dollárt költöttek el, ami egyáltalán nem kevés.

x-20.jpg

A Dyna-Soar start közben, ezúttal egy Saturn C-1 (Saturn I) által a levegőbe emelve. A Boeing tervezte űrrepülő mintegy 450 kg terhet vihetett, és „hagyományos” kialakítással, azaz külön törzzsel és szárnnyal, valamint teljesen lapos alsó résszel készült (volna) (forrás)

A Szovjetunióban kissé más volt a helyzet. Az ország Hruscsov idején a legelső helyen kezelte a rakétafejlesztést, hogy mind katonai, mind polgári téren az USA fölébe kerekedjen. Ez sikerült is legalább a ’60-as évek közepéig, csakhogy ez elszívta az erőforrásokat más koncepciójú, de ugyancsak a világűrt érintő projektek elől. Nyilván a sikerek nyomán a szovjetek nem is érezték szükségét egyidejűleg alternatív megoldások erőltetésének. Ezzel együtt is, már 1962-ben Konsztantyin Andrejevics Versinyin, a légierő parancsnoka sürgette – a tervezőirodák mellett – a CAGI-t (Központi Aero- és Hidrodinamikai Intézet, ahol éppen Mjasziscsev volt az igazgató), hogy ideje lesz űrrepülőket is fejleszteni. Nagyjából ugyanekkor a Vosztok programon túlra szintén előretekintő Nyikolaj Petrovics Kamanyin, a szovjet katonai űrhajósok parancsnoka, azaz az űrprogram egyik fontos személyisége szintén megfogalmazott néhány elvárást egy ilyen, újrafelhasználható űrrepülővel kapcsolatban. Kamanyin természetesen katonai, sőt, harci eszközként tekintett a dologra. Egy szuborbitális, 60-150 km magasságban üzemelő verzió mellett egy 1000-3000 km pályamagasságra is képes űrrepülőt tartott szükségesnek, melyet egy hordozógép indít, első fokozat gyanánt, és amely (főleg utóbbi változatában) 30 napos repülésekre is képes. Levegő-űr és űr-föld osztályú fegyverzetet, azaz rakétákat is kifejlesztendőnek tartott, előbbit nyilván már csak lazábban kapcsolva a projekthez. Azonban 1965-ben, a következő, 8. Ötéves Terv keretében előírták egy, az előzőekben felvázolt, „kétfokozatú” űrrepülőgép kifejlesztését a Szovjet Légierő számára.

kamanyin.jpg

Kamanyin tábornok, a neves szovjet pilóta és katona, az első négy fő tagja, akiket a Cseljuszkin gőzös legénységének sarkvidéki megmentéséért tüntettek ki a Szovjetunió Hőse aranycsillaggal, a legmagasabb szovjet kitüntetéssel. (Ennek aranycsillaga látható jobbra fent, kiemelt helyen a mellkasán.) Amellett, hogy tehetséges repülő és tiszt volt, fontos szerepe volt a szovjet űrprogramban is, melyet ő mindig is a légierő szempontjai szerint igyekezett alakítani – mint utólag láthatjuk, nem igazán sok sikerrel, de erről majd a sorozat végén lesz szó (forrás)

A már bemutatott feladatokon túl, illetve azok pontosításával a légierő kutatóintézete és agytrösztje, a Honvédelmi Minisztérium CRII-30, azaz 30. Központi Tudományos Kutató Intézete a következő követelményeket állította az új fegyverrendszerrel szemben:

  • gyors reakcióidő (rövid indítás-előkészítés);
  • stratégiai felderítés háborúban és békében egyaránt, utóbbi idején az ellenség mobil hadászati erőinek (rakéták és bombázók), repülőgép-hordozóinak és nagyobb katonai csoportosulásainak nyomon követése, megakadályozandó egy váratlan támadást;
  • lehetőség szerint a fentiek közül a legfontosabbak megsemmisítése (nukleáris fegyverekkel), különös tekintettel az anyahajó-harccsoportokra;
  • az ellenséges űreszközök felderítése és vizsgálata, szükség esetén megsemmisítése;
  • képesség a rendszeres indításokra, melyek során személyzetcserét is meg lehet valósítani a szovjet űrállomásokon, kiküszöbölve az egyszer használatos rakétákat.

Ehhez egy változatos (azaz magas és alacsony inklinációjú) pályákra egyaránt képes, az űrben, de főleg a visszatéréskor jelentős manőverekre is alkalmas, háborús körülmények között is üzemeltethető űrrepülőgépre volt szükség.

Ezek alapján 1964-65 folyamán a légierő és a CRII-30 szakemberei kidolgozták az alapkoncepciót is. Egy kisméretű, repülőgép-szerű űreszközt egy rakétafokozat juttat fel az űrbe, és ezt a párost egy nagyobb, hiperszonikus hordozó repülőgép viszi fel nagy magasságba, első fokozatként szolgálva. (Tehát az előzőleg definiált két fokozat egyike a hordozó, a másik pedig a rakéta plusz űrrepülő együttese, mivel utóbbi már nem rendelkezik pályára álláshoz is elég erős meghajtással.) Természetesen többféle, konkrét megoldást vizsgáltak ebben az időszakban, köztük valószínűleg az amerikai Gemini programnál is megfontolt, Rogallo-szárnyas megoldást, de a Dyna-Soar-hoz hasonló kialakítást találták a leghatékonyabbnak, már ami az űrrepülőt illeti.

bomi_bell_model.png

Az USA számos gyára dolgozott a Dyna-Soar előtt hasonló terveken, melyeket közösen boost-glide elrendezésnek neveztek, azaz (rakéta)gyorsítású-vitorlázónak. Egy-egy, ICBM-ből származó rakéta vitt volna fel egy kisebb-nagyobb űrrepülőt, lényegében bombázót. (A Dyna-Soar a dynamic soaring, vagyis a dinamikus vitorlázó repülés rövidítése.) A téma megérne egy külön posztot is, de most ebből az érából csak a Bell által fejlesztett, MX-2276 katonai kódú BoMi, vagyis Bomber Missile szerepel egy kép erejéig, érzékeltetve, hogy a szovjet tervek nem voltak teljesen egyedülállóak – de így is igen izgalmasak (forrás)

rogallo.JPG

A másik, valódi kísérletig is eljutott megoldás, ami – főleg utólag nézve – elég különleges, az a kibontható, ejtőernyő-szerű Rogallo-szárny felszerelése a „sima”, ballisztikus kapszulákra. Az USA a Gemini programhoz végzett vele tesztlandolásokat. Ez a módszer nyilván nem oldotta meg az újrafelhasználhatóságot, de kissé megnövelte volna a leszállás során a manőverezési lehetőségeket (forrás)

A projekt a Спираль, vagyis magyarul a Spirál nevet kapta. Az űrrepülő kifejlesztését az OKB-155 Mikojan-Gurjevics iroda kapta, 1965. január elsejével. Eleinte a комбинированных воздушно-космических систем (ВКС), vagyis a kombinált légi-kozmikus rendszer (VKSz) nevet is használták, valamint az „50-50” megnevezést is. Ez utóbbi egyes helyeken a részletes tervezés 1967-es megkezdésére utalt, amely az 1917-es forradalom 50. évfordulója volt, míg máshol a következőkben bemutatott alkotóelemek közötti, az űrbe juttatás feladatának 50-50%-os (GSzR és ZsU+OSz) megosztását jelölik meg magyarázatként. A Spirál program vezetője a nagyszerű konstruktőr, Gleb Jevgenyijevics Lozino-Lozinszkij lett.

Lozino-Lozinszkij először motorokon dolgozott, így Ljulkával az RTD-1-esen, az első szovjet gázturbinás sugárhajtóművön, majd a Klimov VK-107A, motorhajtású kompresszoros gázturbinán a Mikojan-Gurjevics I-250-esbe, végül a VK-1F utánégetőjén, amivel egy MiG-17 először lépte át a hangsebességet vízszintes repülésben a Szovjetunióban. Ezt követően a MiG-21 tervezésében is főszerepet vállalt, majd következett a Spirál. A MiG-31, utána pedig a Buran, „a” szovjet űrrepülőgép főtervezője is ő volt. Végül – egyik utolsó fontosabb projektjeként – a MAKSz kisméretű űrrepülőn dolgozott, mely a Spirál egyfajta utódjaként értelmezhető, és amelyet egy An-225 hátáról indítottak volna.

lozino.jpg

A Mikojan iroda számos termékének képe, valamint a Spirál kései utódja, a MAKSz (An-225+hajtóanyag-tartály+űrrepülő) makettje társaságában a már nem túl fiatal Lozino-Lozinszkij. Neve ugyan kevésbé ismert, mint a nagy szovjet-orosz repülőgép-tervezőké, de egymaga félelmetes nagyságú munkát végzett a szovjet űrhajózás tudományos-technikai részén (forrás)

A munkálatok fókuszában maga az űrrepülőgép állt, tekintettel többek közt arra, hogy azt, ha készen van, hagyományos rakétákkal is fel lehetett használni, valamint arra is, hogy látszott, hogy a viszonylag nagy, hiperszonikus hordozógép még az űrrepülőnél is nagyobb technológiai kihívást jelent. Utóbbiból következően viszont talán még érdekesebb konstrukció is volt, mint az űrrepülő.

 

A hordozó, oroszul гиперзвукового самолета-разгонщика, ami nagyjából „hiperszonikus gyorsító repülőgépnek” fordítható, röviden a ГСР, vagyis GSzR néven lesz említve a továbbiakban, egyébként néha 205-ös gyártmányként is hivatkoznak rá. Az űrhajó maga a 105-ös gyártmány volt, rövidítése OSz az орбитальный самолет kezdőbetűi után (szó szerint: űrrepülő). Az OSz-t gyorsító rakéta nem kapott hasonló elnevezést, ezért a posztban a továbbiakban a жидкотопливных ускорителе, vagyis folyékony hajtóanyagú gyorsítórakéta szavakból képzett ZsU lesz a megnevezése röviden.

 

Miután ’66 áprilisában a CAGI is úgy nyilatkozott, hogy érdemes megkezdeni a részletes fejlesztést, június 15-én a Repülőgépipari Minisztérium megbízta Lozino-Lozinszkijt a Spirál főtervezői posztjával. 1967. április 25-én alakult meg az OKB-155 Dubnába kihelyezett, a programmal foglalkozó részlege. Később a városban készültek a kísérleti gépek is.

spiral6.jpg

A Spirál előzetes terveit tartalmazó dosszié fedlapja, a „Lenin renddel kitüntetett Mikojan tervezőiroda” dokumentumai közül. A dátum 1966., de valószínűleg június 15. előtti, mivel a főtervező még maga Mikojan (forrás)

 

GSzR, a hiperszonikus hordozórepülőgép

A GSzR felelőse a Tupoljev vezette OKB-156 iroda volt. A normál repterekről, hagyományosan felszálló légijármű nem volt különösebben nagy méretű vagy tömegű. A két fős személyzetű gép egy 38 méter hosszú, rendkívül áramvonalas törzzsel és nagyméretű, 240 m2 felületű deltaszárnyakkal volt ellátva, melyek előbb 80, hátrébb 60 fokos nyilazással rendelkeztek. A fesztáv csak 16,875 méter volt, a szárnyvégeken a 4,5 méter magasságú függőleges vezérsíkokkal. A szárny előrenyújtott része már az orrnál elkezdődött (a szárny „hossza” 32,6 m), és a törzs kialakítása is olyan volt, hogy némi felhajtóerőt szintén termelt. A deltaszárnyon lévő elevonok az elérhető kilépőélt gyakorlatilag elfoglalták, összesen 2x5,1 m hosszan. (Egy helyen fékszárnyakat is említenek.) Érdekes adat, hogy az oldalkormányok a függőleges felületeken egyenként 18,5 m2-t tettek ki. Az útirányú stabilitás érdekében alul egy, a földön felhajtott állapotban lévő pótvezérsíkot helyeztek el. Mivel a GSzR a tetején szállította a ZsU+OSz párost, hagyományos farokrészt nem lehetett építeni hozzá, így lett szükség három irányfelületre is. Ismert még a törzs legnagyobb átmérője is, mely 4,15 m, míg a homlokfelület 20,9 m2-nek felel meg. A futómű elöl egymás melletti, a főfutókon pedig tandem kétkerekes volt, minden esetben a repülési iránnyal szemben behúzhatóan. Ez a megoldás a szemből érkező légáramlattal segítheti a vésznyitást. A leszállást a hosszú orr miatt 5 fokban lehajtható résszel kellett megkönnyíteni (így a látószög lefelé is 14 fok lett). Az elvárt 30 km-es repülési magasság és 4-6 Mach sebesség miatt is már korának kiemelkedő mérnöki alkotása lett volna a GSzR, ráadásul mindezt a mai napig is egyedi meghajtással kívánták elérni.

oldalrol_es_orr.gif

A teljes komplexum egyben, külön ábrázolva az orr két állását (forrás)

Az ideálisnak tartott, 6 Mach sebesség eléréséhez a korabeli hajtóművek használhatatlanok voltak. Ugyanaz a probléma sújtotta a szovjeteket, mint az amerikaiakat például az F-103 tervezése során: a sugárhajtóművek turbinafokozatai szétolvadtak volna, ha tovább emelik a teljesítményt. Ezt pedig elsősorban az égőtér hőmérsékletemelésével lehetett elérni, hiszen áramlási-, méret- és tömegproblémák miatt nem lehetett egyre nagyobb vagy egyre több hajtóművet használni. Amíg nyugaton a gázturbina és a torlósugárhajtómű együttes alkalmazásában látták a megoldást (illetve később keresztezésében, lásd a P&W J58), addig keleten egy, elsőre egyszerű ötletet kívántak bevetni. Ha a gond a turbina túl magas hőmérséklete, akkor le kell hűteni! De ekkor még nem voltak elérhetőek igazán a hűtött turbinalapátok, a vízbefecskendezést pedig nem lehetett ekkora teljesítményre kiterjeszteni. Egyébként is, ezekkel legfeljebb négyszeres hangsebességig lehetett növelni a tempót, ami kevés volt. Radikálisabb hozzáállásra volt szükség, amit a Ljulka-féle tervezőiroda és a CIAM, vagyis a Központi Repülőgépmotor-fejlesztő Intézet Ljulka AL-51 jelzésű tervezete biztosított. 1,25 méteres átmérője mellett az AL-51 egy nagyteljesítményű, 17,5 tonna tolóerőt leadni képes, hidrogén tüzelőanyagú, de légköri oxigént alkalmazó sugárhajtómű volt.

A folyékonyan tárolt hidrogén elvileg a legnagyobb specifikus tolóerőt biztosító, szóba jöhető üzemanyag, tekintettel fizikai és kémiai tulajdonságaira. A folyékony állapot fenntartásához legalább -253°C-on kell tárolni, ami jelentős szigetelést és a hőtágulási jellemzők miatt speciális anyagokból épített, megerősített szerkezetet jelent. (A sűrűség még így is csak kb. 71 g/l, míg a keroziné ennek bő tízszerese.) Ez a hőmérséklet viszont kiválóan alkalmassá teszi a hidrogént a turbina, valamint a teljes hajtómű hűtésére. Ezen feladatát elvégezve, a kitágult és felmelegedett gázt az égőtérben nagy oxigénfelesleg mellett el lehet égetni, tolóerőt létrehozva. Bár az AL-51 nem rakétamotor volt, mégis, megadták a specifikus impulzusát, mely, legalábbis a tervek szerint, nem kevesebb, mint 4500 másodperc volt. Ez az óriási szám természetesen úgy jön ki, hogy a specifikus impulzus számítása során csak a jármű által magával vitt hajtóanyag tömegét kell figyelembe venni, és mivel az AL-51 légköri oxigént hasznosított, a GSzR csakis a hidrogént szállította, oxidálószert nem.

specific-impulse-kk-20090105.png

A Wikipedia ábrájáról kiderül, miért is annyira jó ötlet hidrogént használni a hajtóművekben. De a tárolás és az ezzel járó tömegnövekedés és hasonlók miatt légköri repülőgépekben nem véletlen nem terjedt el (lásd lejjebb). Rakétáknál viszont gyakori (de legalábbis az volt) a folyékony oxigén-folyékony hidrogén hajtóanyag-keverék. A grafikonról jól látható, hogy ezzel a scramjet tartományban hagyományos üzemanyaggal elérhetőnél négyszer hatékonyabb volt a hajtómű (forrás)

A konkrét kialakítás tulajdonképpen a sugárhajtás korai időszakának egyik zsákutcáját, a motorhajtású kompresszorral ellátott sugárhajtóművet idézte. A folyékony hidrogént egy szivattyúval juttatták be a tartályból egy hőcserélőbe, mely a turbina mögött helyezkedett el. Itt erősen felmelegedve gáz halmazállapotúvá vált, hiszen a következő állomása a turbina volt, amit mégsem lehetett -250 fokra hűteni, és persze nem is ez volt a cél. Az áramló hidrogéngáz (illetve helyesebben: hidrogéngőz) nyomása hajtotta meg a turbinafokozatokat, ezért itt egy sokfokozatú turbinára volt szükség, ellentétben az általában 1-2 fokozatú, normál (katonai) sugárhajtóműves turbinákkal. A hidrogén egy része innen a csőhálózaton át kiáramlott a turbina köré, ahol az égése megtörtént az elölről érkező, légköri levegő oxigénjével. A maradék hátra lett vezetve, ahol az utánégetőként működő hátsó traktusban került elégetésre, pontosan ugyanazon az elven, mint a megszokott utánégetőknél. A turbina ezúttal is össze volt kötve a legelöl lévő kompresszorral, és forgatta azt, de ezen felül egy reduktoron át a hidrogénszivattyút is meghajtotta – ezzel a kör bezárult. Ez az elrendezés lehetővé tette az égőtér rakétamotorokra jellemző kialakítását, nagyban növelve az elérhető nyomást, ami jelentősen hozzájárult a hajtómű specifikus impulzusának növeléséhez.

Ezt a működési sémát az orosz források az egyáramú, a kétáramú és a szuperszonikus torlósugárhajtómű (scramjet) keverékeként jellemzik, azok hasznos tulajdonságait egyesítve. Egy helyen – ahol az egyetlen ábra van az AL-51 működéséről – „rakéta-turbinás gőzturbina” néven is említik. A furcsa elnevezések oka, hogy a szokatlan elrendezést valahogyan próbálták szóban is visszaadni.

gszr_kiomlok.gif

A GSzR hátulról. Az óriási AL-51-esek minden bizonnyal elképesztő kondenzcsíkot húztak volna teljes gáznál, hiszen a hidrogén és az oxigén égésterméke a vízpára. Ez remek látványossággá tehette a jármű repülését elég tiszta időben. Alul az AL-51 működési sémája. A turbina kis mérete („cserébe” több fokozata) sokkal nagyobb égőteret enged meg (források: fenti, lenti)

al-51m.jpg

A négy hajtóművet párosával, a gép törzsének két oldalában, egymás felett helyezték el, egyedi megjelenést kölcsönözve a GSzR-nek. Így a törzs egy áramvonalas farokrészben végződött, közrefogva az AL-51-esek által. A beömlőnyílás is a Szovjetunióban még nem alkalmazott kialakítással bírt. A törzs és a szárny teljes első részének alsó formája olyan volt, hogy segítse az alul, nagyjából középen lévő, a négy hajtóműre közös beömlőbe terelni és lassítani a levegőt. Bár az AL-51 képes volt a szuperszonikus légáramlat kezelésére a tervei szerint, de azért lassítani kellett a beérkező levegőn. Ezt már 10,25 méterre a beömlőtől elkezdte az alakjának köszönhetően a törzs, mintegy 4°-os szögben döntött alsó lemezei révén. A beömlőnyílás alsó élétől 3,25 méterrel előrébb már 10 fokosra nőtt az alsó rész dőlésszöge, itt egyúttal meg is tört a kontúr hosszirányban. 1,27 méterre az alsó éltől már 20 fokra nőtt a szög. Lozino-Lozinszkij visszaemlékezései szerint ez a megoldás segítette, hogy a „meghajtás és a sárkányszerkezet kialakítása integrált legyen”, vagyis hogy ezeket egységesen kezeljék a tervezés során, és egyik a másikat segítse. Minderre nagy szükség is volt, mert az elvárt sebesség rendkívüli kihívások elé állította a tervezőket.

Ezzel párhuzamba állítható a North American XB-70 terve, ahol hasonló, a hajtóművekre közös és alul lévő, ugyanakkor az áramlást szubszonikusra lassító alsó törzsrészt és beömlőket alkalmaztak, továbbá az egész törzs a nagy sebesség könnyebb fenntartását szolgáló waverider (hullámlovas) kialakítást követte. Azaz az NAA is integrálta a sárkányt és a meghajtást a több ezer kilométeren át fenntartható 3 Mach sebesség érdekében.

spiral-vue3.jpg

Fent: alulnézetből a GSzR, lent: a GSzR (elvileg) eredeti tervei (források: fenti, lenti)

spiral-plan.jpg

A GSzR légköri oxigént használt fel a folyékony hidrogén mellé, ezért utóbbiból kellett magával vinnie 16 tonnát, vagyis 213 köbmétert, amihez 260 m3 tartálytérfogat állt rendelkezésre. (A 213 m3 másképp 213000 liter, mely összemérhető a nagyobb utasszállítók kerozinmennyiségével; mivel csak tervezett és közelítő adatokról van szó minden esetben, nem meglepő, hogy a fentebbi, 71 g/l sűrűséggel ez már 225 m3 lenne). Természetesen a megfelelő szigetelés kialakítása problémát okozott az egyes helyein több száz fokra melegedő GSzR fedélzetén. Fordítva viszont jól jött a hidrogén hűtőkapacitása, de el sem lehetett pazarolni azt.

Az AL-51 esetén a folyékony hidrogénes meghajtás fizikai szempontból egyébként azért is érdekes, mert a földön, egy, a repülőgéptől teljesen független energiaforrással hűtik le a hidrogént, majd a hűtéssel létrejövő hőmérsékletkülönbséget kétszer is kihasználják. Először – kisebb mértékben – a repülőeszköz hőháztartásának javítására, másodszor pedig – a tágulás és melegedés során létrejövő halmazállapot-változás révén – a hajtómű turbinájának meghajtására. Ez azt jelenti, hogy a hidrogén elégetésén kívül tulajdonképpen a tárolása, vagyis a földön, a repülőeszköztől és magától a hidrogéntől függetlenül belső energiaként „beletett” energia is elérhetővé válik, hasznosul. Így a dolog távolabbról nézve olyan, mintha a GSzR plusz energiát vinne magával, a hidrogén elégetéséből nyerhetőn felül.

 

A korábban csak rakétamotorokban használt hidrogén és az AL-51 ezt alkalmazó, különleges elrendezése azonban hatalmas elméleti munka elé állította a szakembereket a Ljulka-féle csapatban és a CIAM-ban egyaránt. Korábbi tapasztalatok híján mindent előre ki kellett számolni, teszteredmények csak a hajtómű egyes részegységeinek külön-külön kipróbálásából voltak elérhetőek. A hidrogén szigetelésén felül a fő gondot a megfelelő hőcserélő elkészítése okozta.

Nem csoda, hogy közben a Tumanszkij vezette OKB-300-at megbízták egy alternatív, nagyteljesítményű, de hagyományosan, kerozinnal működő gázturbina megalkotásával. Az R39-300 jelű hajtóműről sajnos bővebben sehol sem írnak, de feltehető, hogy a General Electric J93-asához lehetett hasonló, illetve a Tumanszkij korábbi, a korban szintén brutális erejűnek számító R15-öséhez. Ezek 13 és 10 tonna feletti tolóerőre voltak képesek, és az amerikai típust huzamos ideig való utánégetős módra tervezték. Az R39-300-asnak viszont 15 tonna körül biztosan teljesítenie kellett, hogy az OSz elérje a kívánt pályamagasságot.

spi_ca15.jpg

A már jóval a felhők felett emelkedő GSzR a ZsU+OSz párossal a hátán (forrás)

Így tehát a GSzR-nek két verzióját tervezték, egyet az AL-51-esekkel, melyek 6 Mach (vagy 1800 m/s) sebesség és 28-30 km repülési (indítási) magasság elérését tették lehetővé, míg a kevésbé hatékony R39-esekkel 4 Mach (1200 m/s) és 22-24 km magasság volt az elvárás. Ez kísérleti célokra már elég lett volna, de az OSz ekkor csak hasznos teher nélkül juthatott fel Föld körüli pályára. A hagyományosnak mondható, de ettől még szintén nagy pénz- és tudásbeli befektetést igénylő R-39-es elkészültét is csak 1966-ra becsülte az OKB-300 helyettes főmérnöke, a programot valószínűleg vezető Grigorij L. Lifsic.

 

Felmerült, hogy a GSzR-ből csináljanak stratégiai felderítőt, hiszen adta magát a minden másnál 2-3-szor nagyobb sebesség és bevetési magasság. A repülőgép a hátán lévő ZsU+OSz páros nélkül az R39-300-asokkal 4 Mach utazósebességet tarthatott volna, 6-7000 km hatótávval, a hidrogénüzemű AL-51-esekkel pedig 5 Mach utazó- és 6 Mach csúcssebesség mellett 12000 km-t is megtehetett volna. Akármelyik kialakításában, ha csak 1970-re is készül el egy ilyen felderítő GSzR, az is nagyszerű eredmény lett volna. Egy, a GSzR-en alapuló utasszállítóról is írnak néhol, de ennek ötletét Lozino-Lozinszkij cáfolja egy interjúban. Ugyan a tervezett gép nagyon csábító volt, de még a ’70-es években sem látszott ennek valódi létjogosultsága (pláne a belső útlevelet használó Szovjetunióban…).

A GSzR szélcsatorna-modelljeit a CAGI-ban 1965-75 közt számos alkalommal megfújatták a tervezett, 4-6 Mach közötti tartományban, és megfelelő eredményeket kaptak, különösen ami a gondosan megtervezett beömlőnyílás-hajtóműszekció részt illeti.

tsagi-spiral.jpg

A CAGI-ban használt szélcsatorna-modellek (forrás)

Hidrogén repülőgépes használatával az USA is foglalkozott, a Lockheed CL-400 Suntan (szó szerint: lebarnulás [a napon]) nevű tervét 1956-58 között vizsgálták, mint az U-2 nagy sebességű utódját. A vékony szárnyak egy nagyméretű, ceruza alakú törzset fogtak körbe, hiszen kellett a hely a kis sűrűségű hidrogénnek. A tervezett P&W hajtóművek a szárnyvégeken voltak. A programot végül eredménytelenül fejezték be, de a hidrogén kezelésére szolgáló megoldásokat nemsokára a rakétaprogramok hasznosították.

Később is sokszor megfontolták a hidrogén alkalmazását, de a repülésben egyelőre behozhatatlan hátrányt jelent, hogy az alacsony sűrűség miatt nagy tartálytérfogat kellene, valamint nagyon alacsony hőmérsékletet kell biztosítani. Nagyobb repülőgépek közül csak a NACA egy átalakított B-57-ese repült egy módosított hajtóművel, illetve a Tu-154-esből átalakított Tu-155 1988-ban, mely később LNG-vel is üzemelt.

p105a.jpg

Felül az átépített B-57. A héliumot a hidrogén maradékának kifúvatására használták fel, nehogy nem kívánt módon robbanásveszélyes koncentráció gyűljön fel belőle. Alul a CL-400, mely rengeteg, elég eltérő tervváltozatot ért meg, de nem jutott sokkal tovább a papírnál. Bár a formából nincs mihez viszonyítani, de a megadott hosszból már kiderül, hogy a Suntan általában ábrázolt verziója is hatalmas lett volna, egy Boeing 767-200-assal azonos kategóriájú repülőgép, csak persze kisebb szárnyakkal. Voltak még nagyobb és nehezebb variációk (pl. CL-400-13) is a rajzasztalokon (források: fenti, lenti)

jaopzpi.jpg

 

A ZsU és meghajtása

A GSzR célja a tetejére erősített, nagy magasságban leváló, jókora gyorsítórakéta, a ZsU – és az ehhez kapcsolt OSz – megfelelő felgyorsítása volt, első fokozatként. A ZsU alapvetően egy elég egyszerű, kétfokozatú rakéta volt, a hagyományos, függőlegesen startoló hordozórakéták mintájára. A ZsU második fokozatának áramvonalasan illeszkednie kellett a GSzR-hez, valamint az OSz hátsó részének megfelelően a rakétatest két oldalán végighúzódó, vízszintes csatornát kapott. Ezek a rakéta stabil viselkedését segítették elő, bár szerepük a magaslégkörben meglehetősen csekélynek tűnik. A rakéta henger alakját a GSzR tetején végighúzódó bölcső fogadta be, illeszkedő kialakítással. Az elöl lévő második fokozathoz pontosan passzolt az OSz, ami elé még egy, a teljes áramvonalazást segítő elem is került. A GSzR-ről való leválás után ez utóbbi a hordozón maradt, és a ZsU orrát ekkortól maga az űrrepülő alkotta.

A ZsU első fokozata négy darab, az OKB-456, azaz a Valentyin P. Glusko vezette iroda által tervezett rakétamotorral volt ellátva, melyek egyenként 25 tonna tolóerőt adtak le, és a folyékony hidrogén-folyékony fluor hajtóanyagot alkalmazták. Ezt a típust az RD-301 családból származó, fluor és ammónia hajtású, 10 tonnás tolóerejű, már meglévő rakétamotorokból kívánták kifejleszteni. (A Spirálhoz tervezett verzió típusszáma ismeretlen vagy nem is adták ki soha.) A négy fúvóka mögött a startnál leváló, hátsó áramvonalazó kúp helyezkedett el. A rakétatest első fokozatában elöl (leválás után: felül) a fluortartály, hátul a hidrogéné helyezkedett el. A teljes hossz így 27,75 méterre jött ki, az űrrepülővel és a hátsó áramvonalazó elemmel együtt. Ebből 9,75 m volt az OSz-t is magába foglaló második fokozat, de effektív hossza több volt az OSz 8 méterét levonva kapott 1,75 méternél. A fokozat ugyanis pontosan illeszkedve előrenyúlt az űrrepülő törzse fölé egy darabon, közrefogva annak függőleges vezérsíkját. Ez a rész elsősorban az áramvonalazást szolgálta. A második fokozat hajtóanyaga esetében elvileg alul volt az oxidálószer, felül pedig az üzemanyagtank, mivel itt már nem volt hely egymás mögötti, teljes átmérős tartályok elrendezésnek, mint az előző fokozatnál. Itt tehát igen kompakt elrendezést kellett megvalósítani. A ténylegesen az OSz mögött lévő burkolat alatt egyetlen, valószínűleg az előzőekkel megegyező, de legalábbis szintén 25 tonna tolóerejű rakétamotor volt.

5050m.jpg

A Spirál rendszer makettje, 50-50 és 50 feliratokkal, utalva az alternatív megnevezésre. Jól látszik a ZsU formája: hosszú test, mely elöl az OSz-hez illeszkedik, körbefogva annak függőleges vezérsíkját (forrás)

5050c.jpg

A leválási utáni helyezetet ábrázoló rajz. A GSzR-en lévő bölcső talán kissé el van túlozva, de a koncepciót jól mutatja. Az OSz-en lévő, áramvonalazó elem leválasztva is szerepel a rajon, míg a ZsU hátsó áramlásjavító burkolata csak ledobva. Előtte nagyjából kirajzolódik a négy fúvóka (lásd a korábbi, a GSzR-t hátulról mutató képen). Néhány ábrázolásban a ZsU egyetlen hajtóművel látszik, megint máshol a formája nem tisztán hengeres, hanem enyhén lapított (forrás)

Kamanyin tábornoknak a Spirál programban játszott szerepe talán nem olyan nagy, mint azt a poszt esetleg sugallja, de az egyik, nemzetközileg is igen elismert forrás (lásd a sorozat végén) gyakran az ő szemszögéből írja le a Spirál fejlesztésének történéseit, valamint számomra némi ihletet biztosított a posztsorozathoz önéletrajzi könyve, a Repülők és űrhajósok.

A nyitókép forrása: link. Folytatás ITT!

7 komment

A bejegyzés trackback címe:

https://modernwartech.blog.hu/api/trackback/id/tr9312107427

Kommentek:

A hozzászólások a vonatkozó jogszabályok  értelmében felhasználói tartalomnak minősülnek, értük a szolgáltatás technikai  üzemeltetője semmilyen felelősséget nem vállal, azokat nem ellenőrzi. Kifogás esetén forduljon a blog szerkesztőjéhez. Részletek a  Felhasználási feltételekben és az adatvédelmi tájékoztatóban.

David Bowman 2017.02.05. 20:14:46

Nem csoda, hogy nem lett belőle semmi. Repülőtereken egy igen veszélyes, atombomba nagyságrendű szerkezet?

David Bowman 2017.02.05. 20:18:43

Nem csoda, hogy nem lett belőle semmi. Repülőtereken egy igen veszélyes, atombomba nagyságrendű szerkezet?
Nekem oroszul van meg az internetről letöltve, de sokkal jobb így magyarra fordítva. Nem mérték fel a fluor pusztító erejét. Ha ez felrobban, szélirányban tíz kilóméterekre minden elpusztul.
Egyébként mondom, hogy az Illatos úton, a BP Vegyiművek udvarán öt tonnát tároltunk rozsdás tartályokban.

Maga Lenin 2017.02.05. 20:21:21

@David Bowman: Ugyan, az ilyen apróságok mikor izgatták az oroszokat? ;-)

Flankerr 2017.02.05. 23:07:50

Brutális, és erről se hallottam eddig, jól csináljátok :)

Maga Lenin 2017.02.06. 18:02:01

@Flankerr: Nekem sem a legismerősebb terep volt, de épp ezért érdekes írni róla :)

@enpera: Egyetértek! :)

Arpiel 2017.03.14. 21:59:58

Elképesztő cikkek ezek ! Nem jutok szóhoz, mennyire profin fölépített munka ez is.