Гуру гиперзвука

И.Афанасьев, Д.Воронцов

18 августа на 80-м году ушел из жизни почетный профессор Университета Сент-Луиса доктор Пол Энтони Чиж (Paul Anthony Czysz). Имя этого человека в России было известно, вероятно, лишь очень узкому кругу специалистов. Между тем, на Западе его по праву считают «гуру гиперзвука», а его вклад в американские программы сверхскоростных летательных аппаратов по масштабности можно сравнить, пожалуй, только с деятельностью Глеба Евгеньевича Лозино-Лозинского в Советском Союзе и России.

Пол Энтони Чиж родился в Сент-Луисе (штат Миссури) в 1934 г. В родном городе окончил среднюю школы, а позднее и колледж авиационной техники Паркса при местном университете. После окончания колледжа, в 1955 г. он поступил на работу в компанию McDonnell Aircraft, а затем — с апреля 1956 по февраль 1958 гг. — «надел погоны»: служил в ВВС на авиабазе Райт-Паттерсон, штат Огайо. Уволившись с военной службы, до сентября 1963 г. продолжал работать в Райт-Паттерсон, а затем вернулся в Сент-Луис, вновь поступив на McDonnell Aircraft, где и работал вплоть до своей отставки в 1991 г. Несмотря на все пертурбации*, в 1986 г., благодаря своим заслугам Пол Чиж стал одним из руководителей компании.

1. Фирма, основанная в 1939 г. Джеймсом Макдоннеллом, известна во всем фирме после разработки истребителя F-4 Phantom II и капсул для космических кораблей Mercury и Gemini. В 1950-е годы создала несколько ракет и начала эксперименты с гиперзвуковыми конструкциями и космическими аппаратами, что позволило компании впоследствии получить значительную часть заказов NASA в рамках проектов Mercury и Gemini. В 1963 г. у McDonnell и Douglas начали переговоры о слиянии. Сделка была закрыта 28 апреля 1967 г. с образованием концерна McDonnell Douglas, который в августе 1997 г. вошёл в состав корпорации Boeing. В Сент-Луисе сейчас располагается военно-космическое подразделение, которое отвечает за разработку военных и космических продуктов и услуг.

Уйдя на пенсию и уволившись из McDonnell Douglas, он открыл свою собственную консалтинговую компанию HyperTech Concepts LLC. Фирма консультировала специалистов Министерства обороны, NASA и частные научно-исследовательские учреждения по вопросам аэрокосмической техники и технологии, включая полеты к другим планетам.

Основной специализацией Пола Чижа с юности были высокоскоростные полеты, в первую очередь, гиперзвуковая аэродинамика. На протяжении пяти лет – (АДТ) с 1963 по 1968 гг. – он был техническим руководителем группы аэродинамических труб в McDonnell Douglas. В частности, занимался разработкой и эксплуатацией гиперзвуковых ударных АДТ, предназначенных для испытаний аппаратов в потоке до скорости, соответствующей числам М=12. Он также проектировал соответствующие системы диагностики и измерений.

Группа Пола Чижа выполнила многочисленные инновационные разработки в области методов гиперзвуковых испытаний. Например, провела исследования по оптимальному профилированию каналов сопел АДТ параллельного потока на скоростях, соответствующих числам М от 10 до 16. Эта модификация увеличила эффективность использования труб в пять раз. Также велись исследования по визуализации тепловых процессов. В 1968 г. Чиж стал заместителем руководителя работ, спонсируемых NASA по программе «изучение стенда для гиперзвуковых исследований HYFAC (Hypersonic Research Facility Study).

На этот отрезок времени пришлась разработка интереснейших проектов гиперзвуковых летательных аппаратов. Совместно с Лабораторией динамики полета FDL (Flight Dynamic Laboratory) ВВС корпорация McDonnell Douglas вела работы по секретному проекту гиперзвукового аппарата с несущим корпусом «Модель 176». Он должен был стать основой орбитальной ступени для снабжения военной орбитальной пилотируемой станции MOL (Manned Orbiting Laboratory). Концепция аппарата базировалась на аэродинамической конфигурации FDL-7МС, детальной проработанной с конца 1950-х годов Робертом Мейзеком. Следы готового проекта аппарата теряются в 1964 г. в секретной истории американской военно-космической программы.

Опыт и обширные знания двигали Чижа по карьерной лестнице. С 1968 по 1972 гг. в корпорации McDonnell Douglas он занимал пост заместителя руководителя программ оборудования для гиперзвуковых исследований. В этот период широким фронтом велись работы по контрактам NASA. Пол Чиж руководил разработкой и оценкой наземного испытательного оборудования. Он также являлся менеджером системы автоматизированного проектирования CADE (Computer Aided Design Engineering) – программы для расчета технологии самолетов различных размеров. Этот инструмент в сильно модифицированном виде используют все современные конструкторы. Пол Чиж выработал новые подходы к применению «метода неполного набора данных».

Группа перспективных концепций под руководством Пола Чижа изучала новые конфигурации самолетов, имеющих «расширенный спектр эксплуатационных характеристик». Он возглавил усилия по разработке методов оценки преимуществ включения передовых технологий в конструкцию боевых самолетов (программа AFTI —  Advanced Fighter Technology Integration Program). Хотя фирма McDonnell Douglas не смогла победить в этой программе, опытный самолет конфигурации AFTI-15 в конечном итоге полетел в 1989 г. как демонстратор перспективной технологии короткого взлета и посадки. Между 1978 и 1983 гг. Пол Чиж участвовал в работе специальной группы, которая должна была инициировать разработку истребителя на новых технологиях.

Однако пик его инженерной карьеры пришелся на середину 1980-х годов. К этому времени он был техническим интегратором McDonnell в области разработки концепции систем новых боевых самолетов перспективных секретных летательных аппаратов. Кроме того, он принимал участие в разработке встроенного компьютера для управления характеристиками системы «воздухозаборник-двигатель» самолетов F-15 и DC-10.

В 1985 г. Пол Чиж был назначен главным научным специалистом программы разработки Национального аэрокосмического самолета NASP (National Aerospace Plane), который стал самым масштабным (после Space Shuttle) проектом многоразовой аэрокосмической системы. Это произошло благодаря тому, что Чиж являлся руководителем команды проектантов корпорации McDonnell Douglas, которая выиграла участие в проектах Copper Canyon и NASP.

NASP (он же X-30 или «Восточный экспресс») должен был стать многоразовым одноступенчатым крылатым аппаратом нового поколения с горизонтальным стартом и посадкой, создаваемым для надёжной и дешевой доставки людей и грузов в космос. Разработка началась в 1986 году после исследований по проекту Copper Canyon (1982—1985), проведённых агентством перспективных военных разработок DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency). В своём обращении к нации в 1986 году президент США Рональд Рейган объявил: «…Восточный экспресс, который будет построен в следующем десятилетии, сможет взлететь из аэропорта Даллес и, разогнавшись до скорости в 25 раз выше скорости звука, выйти на орбиту или совершить полёт в Токио за 2 часа».

Программа NASP, финансируемая совместно NASA и министерством обороны, велась при участии компаний McDonnell Douglas и Rockwell International, работавшим над планером и оборудованием гипрезвукового одноступенчатого космоплана. Фирмы Rocketdyne и Pratt & Whitney разрабатывали гиперзвуковые прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ГПВРД).

Аэродинамическая конфигурация X-30 «затачивалась» для оптимальной работы прямоточных двигателей — фактически вокруг них компоновался фюзеляж аппарата. Передняя часть фюзеляжа при полёте создавала скачок уплотнения, сжимающий воздух перед воздухозаборником. Задняя часть фюзеляжа интегрировалась с соплами двигателей и обеспечивает расширение потока выхлопных газов.

Кроме того, аэродинамическая конфигурация должна была давать подъёмную силу за счёт сжатия воздушного потока. Система скачков уплотнения, создаваемых фюзеляжем, обеспечивала большую часть такой подъёмной силы. Небольшие крылья X-30 служили в основном для улучшения устойчивости и управления траекторией полёта. Такая конфигурация, названная Compression Lift («подъемная сила от сжатия»), была хороша для гиперзвукового маршевого полета, но неудобна для взлёта и посадки.

По расчетам, обшивка большей части конструкции X-30 должна была нагреваться в полёте до 980°C , а максимальная температура носовой части фюзеляжа, передних кромок крыла и частей двигателя достигала бы около 1650°C. Поэтому в конструкции аппарата предполагалось применить сверхлёгкие жаростойкие материалы, сплавы титана и алюминия, такие как альфа- и гамма-алюминиды титана, углерод-углеродные композиты, титановые композиты с металлической матрицей и кремнийуглеродными волокнами.

McDonnell Douglas даже изготовила из титановых композитов с металлической матрицей опытный образец секции фюзеляжа 1.2 м в высоту, 2.7 м в ширину и 2.7 м в длину (так называемое изделие Task D) с интегрированным в ней композитным криогенным баком для жидкого водорода. В 1992 г. секция была протестирована с заполнением бака жидким водородом, имеющим температуру -253°C при нагреве внешней поверхности обшивки до температуры +820°C  и расчётных механических нагрузках.

По требованиям министерства обороны США самолет X-30 должен был иметь экипаж из двух человек и небольшую дополнительную полезную нагрузку. Работы показали, что пилотируемый космоплан с соответствующими системами управления и жизнеобеспечения оказался слишком большим, тяжёлым и дорогостоящим — он никак не мог играть роль опытного демонстратора технологий. Проект отличался обилием непроверенных новейших технологий. Специалистам решение задачи разработки этих технологий казалось интересным, но политиков и финансистов пугали огромные объемы подготовительных работ при неопределенном конечном результате, что и предопределило неудачу программы. В результате разработка X-30 была остановлена, но исследования в области одноступенчатых средств вывода на орбиту с горизонтальным стартом и гиперзвуковых прямоточных двигателей в Соединенных Штатах не прекратились, хотя размах их значительно снизился.

Надо сказать, что проектанты NASP столкнулись с множеством трудностей, определяемых тесной интеграцией новшеств, из-за чего разработчики поначалу не могли отработать каждую технологию и сложить все вместе в законченный проект. Вскоре стало ясно, что без искусственного «отделения зерен от плевел» не обойтись. Поэтому основной целью НИОКР, которыми руководил в том числе и Пол Чиж, стала разработка и проверка новых технологий путем корреляции расчетных методов, прогнозируемых решений, стендовых экспериментов и анализа полученных результатов, что было важно как для всего проекта в целом, так и для создания ГПВРД в частности. Важнейшее место в работах отводилось летному эксперименту, в котором предполагалось оценить верность расчетных методов, поскольку на наземных стендах воспроизвести условия полета с гиперзвуковыми (число Маха > 5) скоростями было крайне сложно и дорого.

Огромный опыт участия в разработке секретных гиперзвуковых летательных аппаратов привел к тому, что имя Пола Чижа на Западе связали с такой экзотикой, как гипотетический проект Aurora («Аврора»). Слухи о секретном гиперзвуковом самолете-разведчике возникли в начале 1990-х, и даже в 1995 г. журнал Popular Science опубликовал отдельные статьи. Разумеется, журналисты прямо спрашивали Пола, что он думает о проекте? Он не знал – или делал вид, что не знал - наверняка, однако давал понять, что такой самолет может реально существовать. «Он мог бы существовать. Для его создания не нужна никакая магия. Я убежден, что по крайней группа специалистов McDonnell-Douglas, в которой я работал в середине 1960-х годов, могла бы его построить. Мы сделали две модели гиперзвукового летательного аппарата на авиабазе Райт-Паттерсон и протестировали для измерения давлений, напряжений и распределения тепла и скорости теплопередачи. Модели продувались во всех АДТ, которые мы смогли найти — от низкоскоростных до гиперзвуковых, во всех диапазонах вплоть до М=6-8», говорил он в одном из интервью.

Чиж рассказал, что с 1966 г. работал в группе перспективных проектов в McDonnell: «Одним из проектов был гиперзвуковой транспортный аппарат, рассчитанный на полет при скорости М=6, без дозаправки в боевой обстановке на дальность около 1500 морских миль (около 2700 км). При этом перегоночная дальность равнялась 4000 морским милям (7300 км). Были разработаны несколько различных его версий. Например, одна из них предназначалась для перехвата МБР, а другая должна была уничтожать советские военные корабли».

Поэтому, по мнению ученого, постройка гиперзвукового аппарата была более чем реальна. «[Много лет спустя] у меня в доме раздавались странные телефонные звонки. Человек на том конце провода звонил обычно ночью, говорил — «Я работал с Вами, и сейчас стою рядом с самолетом, о котором Вы знаете» — а потом бросал трубку. Я думаю, что слухи относительно «Авроры», вероятно верны», – говорил профессор Пол Чиж.

После закрытия программы NASP Пол Чиж оставил карьеру в McDonnell Douglas и занялся собственным бизнесом, а также начал преподавать аэрокосмическую технику и машиностроение в родном колледже Паркса университета Сент-Луиса. Кроме преподавания, он любил выступать с лекциями о космической науке и технике перед учащимися начальных школ. Он был блестящим популяризатором науки и авиационно-космической техники. Книга «Двигательные установки космических аппаратов будущего: передовые технологии для исследования космоса» (Spacecraft Propulsion Systems: Enabling Technologies for Space Exploration), написанная Полом Чижем и Клаудио Бруно, выдержала несколько изданий. Это научно-популярное издание рассказывает о перспективах различных видов двигательных установок для экономически оправданных космических полетов на околоземную орбиту и к Луне и о том, что для освоения Солнечной системы и полетов к звездам необходимы дальнейшие разработки в этой области.