X-15

X-15 — это серия экспериментальных гиперзвуковых ракетопланов с ракетным двигателем, созданная в США в рамках одноимённой программы Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) совместно с Военно-воздушными силами США и Военно-морскими силами США. Аппарат предназначался для изучения условий полёта на гиперзвуковых скоростях (свыше 5 Махов) и на больших высотах, вплоть до границы космоса (выше 50 миль, или 80 км). Всего было построено три экземпляра самолёта, которые совершили 199 полётов в период с 1959 по 1968 год. Программа X-15 считается одной из самых успешных в истории экспериментальной авиации и космонавтики, предоставив бесценные данные для разработки космических кораблей «Спейс Шаттл» и других гиперзвуковых летательных аппаратов.

История создания

Предпосылки

В середине 1950-х годов, в разгар Холодной войны, США и СССР активно разрабатывали технологии для достижения господства в воздухе и космосе. К тому времени были достигнуты значительные успехи в создании сверхзвуковых самолётов (например, Bell X-1, преодолевший звуковой барьер в 1947 году), но полёты на скоростях, превышающих скорость звука в 5 раз (Мах 5), оставались неизученной областью. Возникали проблемы с аэродинамическим нагревом, устойчивостью и управляемостью на таких скоростях. Для решения этих задач и была инициирована программа X-15.

Разработка

В 1954 году ВВС США и НАКА (предшественник НАСА) подписали соглашение о совместной разработке гиперзвукового исследовательского самолёта. Контракт на постройку трёх аппаратов получила компания North American Aviation (впоследствии часть Rockwell International). Двигатель разрабатывала компания Reaction Motors, создав на основе конструкции немецкого ракетного двигателя A-4 (V-2) новый жидкостный ракетный двигатель XLR99-RM-2. Первый полёт прототипа X-15 (без двигателя, в планирующем режиме) состоялся 8 июня 1959 года. Первый полёт с включением двигателя — 17 сентября 1959 года.

Хронология программы

• 1959–1960 годы: Начало лётных испытаний. Полёты выполнялись с подвески под крылом бомбардировщика B-52 «Стратофортресс» (модификация NB-52A и NB-52B). На этом этапе использовались менее мощные двигатели XLR11 (временная мера).
• 1960–1962 годы: Установка штатного двигателя XLR99. Достигнуты скорости свыше 6 Махов и высоты более 50 км.
• 1962–1963 годы: Серия рекордных полётов. 17 июля 1962 года Роберт Уайт достиг высоты 95,9 км, что по классификации ВВС США считается космосом (выше 50 миль). 22 августа 1963 года Джозеф Уокер поднялся на рекордную высоту 107,96 км (по стандартам Международной авиационной федерации (ФАИ) — космос начинается на высоте 100 км).
• 1964–1968 годы: Продолжение исследований. Полёты выполнялись с различными экспериментальными полезными нагрузками, включая системы управления реактивными соплами для работы в вакууме и теплозащитные покрытия. Последний, 199-й полёт программы состоялся 24 октября 1968 года.

Конструкция и технические характеристики

Общее устройство

X-15 представлял собой одноместный ракетоплан с коротким фюзеляжем, стреловидным крылом (угол стреловидности 45°) и двумя килями (верхним и нижним). Нижний киль сбрасывался перед посадкой, чтобы обеспечить зазор для хвостового оперения. Корпус был изготовлен из жаропрочных никелевых сплавов (Inconel X) и титана, способных выдерживать нагрев до 650 °C. Аппарат не имел шасси в обычном понимании — он садился на две задние лыжи и переднюю носовую стойку (также лыжного типа). Для управления на гиперзвуковых скоростях и в безвоздушном пространстве использовались аэродинамические поверхности (элевоны, руль направления) и система газодинамического управления (реактивные сопла на сжатом азоте).

Двигатель

Основной двигатель — XLR99-RM-2 — жидкостный ракетный двигатель, работавший на жидком кислороде (окислитель) и аммиаке (горючее). Тяга двигателя составляла около 260 кН (26 760 кгс) на уровне моря. Двигатель был однокамерным, с регулируемой тягой, что позволяло пилоту точно контролировать ускорение. Время работы двигателя составляло около 80–90 секунд, но за это время X-15 разгонялся до скорости, превышающей 6 Махов.

Лётные характеристики

Система спасения

В случае аварии пилот мог катапультироваться на малых высотах и скоростях. На больших высотах (выше 30 км) катапультирование было невозможным из-за отсутствия воздуха для парашюта. Для таких случаев предусматривалось отделение всей носовой части фюзеляжа с пилотом, которая затем спускалась на парашюте. Эта система никогда не применялась в реальных полётах, но была успешно испытана на земле.

Пилоты программы

За штурвалом X-15 побывали 12 пилотов, представлявших ВВС США, ВМС США и НАСА. Среди них:

• Нил Армстронг (НАСА) — будущий первый человек на Луне. Совершил 7 полётов на X-15.
• Джозеф Уокер (НАСА) — совершил 25 полётов, в том числе два на высоту более 100 км (считается астронавтом по классификации ФАИ). Погиб в 1966 году в авиакатастрофе.
• Роберт Уайт (ВВС США) — первый человек, превысивший скорость 6 Махов (1961 год).
• Уильям Найт (ВВС США) — установил рекорд скорости (6,72 Маха) в 1967 году.
• Милтон Томпсон (ВВС США) — совершил 14 полётов, в том числе последний в программе.

Научные результаты и значение

Аэродинамика и теплозащита

Полёты X-15 подтвердили теоретические расчёты по аэродинамическому нагреву на гиперзвуковых скоростях. Были испытаны различные теплозащитные покрытия, включая абляционные материалы (на основе стекловолокна и фенольных смол), которые впоследствии использовались на капсулах космических кораблей «Меркурий», «Джемини» и «Аполлон». Данные по нагреву и поведению материалов при температурах до 1000 °C стали основой для проектирования теплозащитной системы «Спейс Шаттла».

Физиология человека

Программа позволила изучить воздействие длительных перегрузок (до 5–6 g) и кратковременной невесомости (до 2–3 минут) на организм пилота. Были разработаны методики тренировок и специальные противоперегрузочные костюмы.

Управление на больших высотах

X-15 стал первым пилотируемым аппаратом, на котором была испытана система газодинамического управления (реактивные сопла) для ориентации в безвоздушном пространстве. Эта система стала стандартной для всех последующих космических кораблей.

Вклад в космическую программу

Пилоты X-15, включая Нила Армстронга, получили опыт полётов на границе космоса и управления аппаратом в условиях, близких к орбитальным. Программа также способствовала развитию технологий спасения, навигации и связи, которые были применены в программах «Джемини» и «Аполлон».

Интересные факты

• Космический статус: По классификации ВВС США, пилоты, превысившие высоту 50 миль (80,5 км), считались астронавтами и получали крылья астронавта. По классификации ФАИ, космос начинается на высоте 100 км. Два пилота X-15 (Джозеф Уокер) официально превысили эту отметку, но по американским стандартам астронавтами считались 8 из 12 пилотов.
• Рекорд скорости: Рекорд скорости X-15 (6,72 Маха) оставался непревзойдённым для пилотируемых самолётов с воздушно-реактивными двигателями до 2004 года, когда его побил экспериментальный беспилотный аппарат X-43A (9,6 Маха).
• Посадка без двигателя: После выработки топлива X-15 планировал на посадку, как обычный планер. Посадочная скорость составляла около 300–350 км/ч.
• Стоимость программы: Общая стоимость программы X-15 (включая строительство трёх самолётов, двигателей, наземной инфраструктуры и 199 полётов) оценивается примерно в 300 миллионов долларов США в ценах 1960-х годов (около 2,5 миллиардов долларов в ценах 2020-х годов).

Заключение

Программа X-15 стала уникальным этапом в истории авиации и космонавтики. Она не только продемонстрировала возможность пилотируемого полёта на гиперзвуковых скоростях и на границе космоса, но и предоставила огромный массив экспериментальных данных, который лёг в основу многих последующих проектов, включая многоразовые космические системы. X-15 остаётся символом инженерной смелости и научного подхода к освоению новых рубежей.

Источники:

• NASA History Series: «X-15: The First 30 Years» (NASA SP-2000-4511)
• «X-15: The World’s Fastest Rocket Plane» by Dennis R. Jenkins
• «The X-15 Rocket Plane: Flying the First Wings into Space» by Michelle L. Evans
• Документальные материалы Национального музея ВВС США (National Museum of the US Air Force)