Обе ступени ВКС с расчетной массой 115 тонн представляли собой состыкованные воедино крылатые широкофюзеляжные аппараты горизонтального взлета-посадки и многоразового использования. Спроектированы они были по схеме «несущий корпус — бесхвостка»: 52-тонный (длина 38 м, размах 16,5 м) мощный воздушный корабль-разгонщик до скорости 6 мах и отделяемый от него стартующий с его «спины» на высоте 28–30 тысяч метров 10-тонный пилотируемый орбитальный самолет длиной 8 м и размахом 7,4 м. На консоли его крыла приходилось лишь 3,4 м, а остальная, большая часть несущей поверхности соотносилась с шириной фюзеляжа. К этой птице, получившей название ЭПОС (экспериментальный пилотируемый орбитальный самолет) — или «Спираль», стыковался бак с ракетным топливом для вывода аппарата с гиперзвуковой скоростью на орбиту.
В работу по созданию этой аэрокосмической системы многоразового использования включилось ОКБ Люльки. Под руководством заместителя главного конструктора Александра Васильевича Воронцова конструкторы начали проектировать для мощного самолета-разгонщика воздушно-водородный двигатель. В группу проектировщиков входили Юрий Николаевич Бытев, Константин Васильевич Кулешов, Алексей Дмитриевич Сынгаевский.
«Большой трудностью, с которой мы встретились при проектировании этого двигателя, — вспоминает А.Д. Сынгаевский, — была температура перед компрессором 1650°, которая возникает на разгонщике при максимальной скорости 6 мах. Надо было обеспечить охлаждение турбины. Мы искали для этого разные способы.
С построенным впоследствии «Бураном» и подобными кораблями за рубежом ЭПОС имел некоторое сходство по своим самолетным контурам, что было продиктовано условиями планирования в атмосфере. Но аппарат микояновцев по выбранной форме, компоновке, «горячей конструкции» (из жаростойких сплавов, без специальной теплозащиты) и поворотному крылу — то есть по всему, чем обеспечиваются хорошие аэродинамические характеристики на каждом участке траектории полета, существенно отличался от других разработок того времени. А главное — мог вывести космические полеты на экономичный путь развития. Ведь «крыльевой вариант» позволял активно использовать энергетический запас атмосферы, благодаря чему для вывода аппарата на космическую орбиту энергетических затрат требовалось в 6–8 раз меньше чем при использовании каких бы то ни было ракет. Но по тому пути не удалось пройти до конца из-за некомпетентного вмешательства некоторых партийно-государственных руководителей, и в частности тогдашнего министра обороны СССР А.А. Гречко.
А ведь вначале ничто не предвещало помех. К тому же и сам генеральный конструктор А.И. Микоян всем своим авторитетом поддерживал группу конструкторов, в 1967 году уже приступивших к рабочему проектированию воздушно-космической системы. Вскоре под тему «Спираль» — ЭПОС в Дубне был создан космический филиал микояновской фирмы. Возглавил его заместитель главного конструктора ОКБ А.И. Микояна Петр Абрамович Шустер. Внимание к проекту воодушевляло специалистов — все работали с неистовым энтузиазмом молодости, веселым азартом.
Олег Николаевич Некрасов, занимавшийся разработкой комплекса систем навигации и управления ЭПОСа, вспоминал, что намного раньше, чем определено графиком работ, была предъявлена к сдаче система управления.
В быстром темпе разрабатывались и другие комплексы. И в таком же ритме проектировали двигатель АЛ-51 и мы, конструкторы КБ Люльки. Для исследования характеристик устойчивости и управляемости на разных этапах полета, оценки теплозащиты из высокопрочных жаростойких материалов построили аналоги ЭПОСа в трех разных комплектациях и летающие модели в масштабах 1:3 и 1:2, получившие название «Бор». Аналог для исследований в полетах на дозвуковой скорости — имитация атмосферного участка захода на посадку при возвращении с орбиты — получил кодовое обозначение «105.11», на сверхзвуке — «105.12», на гиперзвуковой скорости — «105.13».
— Что характерно, — подчеркивал начальник ОКБ космического филиала Юрий Дмитриевич Блохин, — что основные конструкторские решения по всем комплектациям аналогов ЭПОСа были выполнены в единой, так сказать, сквозной схеме. В чем ее достоинство? Во-первых, трудоемкость в производстве при переходе от дозвукового варианта к гиперзвуковому возрастала незначительно. Да и росла только потому, что по мере усложнения решаемых задач на борт устанавливалось дополнительное и более совершенное оборудование. Во-вторых, благодаря сквозной схеме на подготовку производства к выпуску самих орбитальных самолетов времени потребовалось совсем немного.
Многочисленные лабораторные исследования, продувки моделей и аналогов в аэродинамических трубах ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского, их стендовые отработки, имитирующие разные режимы и этапы полета, позволили с высокой степенью достоверности определить аэродинамические характеристики планера. Они стали исходными данными для разработчиков различных систем ЭПОСа. Для уточнения результатов «трубных исследований» и изучения свойств новых материалов, предусмотренных в конструкции будущего орбитального самолета, были выполнены с помощью ракет запуски моделей «Бор» в масштабах 1:3 и 1:2.
Конструкцию ЭПОСа делали достаточно легкой, но способной довольно долго работать в исключительно тяжелых условиях. Особенно при входе в плотные слои атмосферы после покидания космической орбиты. Ведь в полете с большой скоростью, а уход с орбиты предполагался на скорости, равной 8 км/с, в плотных слоях атмосферы возбуждаются чрезвычайно мощные тепловые потоки. В приграничном слое молекулы воздуха переходят в атомарный ряд, то есть разрушаются. А «осколки» — электроны, ионы и ядра атомов — образуют плазму, которая, соприкасаясь с поверхностью орбитального самолета, сильно нагревает ее. Наиболее подвержены нагреву передняя часть фюзеляжа, кромки крыла и киля.
По мере роста скорости летательных аппаратов алюминий и его сплавы в авиационных конструкциях стали уступать свое место новым сплавам, обладающим более высокой жаропрочностью. Ко времени работы по программе ЭПОСа уже применялись титановые сплавы и жаропрочные стали. На подходе были еще более жаростойкие и пластичные — бериллиевые и ниобиевые. Однако выносливость нового орбитального аппарата обеспечивалась не только жаростойким облачением, но и его уникальными аэродинамическими характеристиками и совершенными конструкциями. Ведь ЭПОС был рассчитан на спуск с орбиты в режиме самобалансировки на очень больших углах атаки — до 53 градусов при гиперзвуковом качестве 0,8, нем оно больше, тем лучше возможность бокового маневрирования. При этом основная тепловая нагрузка должна была восприниматься теплозащитным экраном (ТЗЭ) оригинальной конструкции. Как показали теплопрочностные испытания гиперзвукового аналога «105.13» на специальном стенде, максимальный его нагрев не превысил +1500 градусов по Цельсию, а остальные элементы конструкции, находясь в аэродинамической тени от теплозащитного экрана, нагревались и того меньше. Поэтому в постройке аналогов можно было применять титановые и даже в отдельных местах алюминиевые сплавы без специального покрытия. «Буран» же впоследствии пришлось обклеивать более 38 тысячами очень дорогостоящих плиток, изготовленных по сложнейшей технологии на основе тонких волокон чистого кварта. Это только один из факторов экономичности разработки 60-х годов по сравнению с программой «Бурана».
А какова конструкция самого экрана? Чтобы избежать разрушения от быстрого нагрева при входе в земную атмосферу, он должен обладать прежде всего высокой «пластичностью», какую мог бы обеспечить, к примеру, ниобиевый сплав. Но его тогда еще не выпускали, и конструкторы временно, до освоения производства ниобия, пошли на замену материала. Экран пришлось выполнить из жаропрочных сталей ВНС, причем не сплошным, а из множества пластин по принципу рыбьей чешуи. Он был подвешен на керамических подшипниках, при колебаниях температуры нагрева автоматически изменял свою форму, сохраняя стабильность положения относительно корпуса. Таким образом на всех режимах обеспечивалось постоянство конфигурации орбитального самолета.
ЭПОС имел и такую конструктивную особенность: в режиме спуска до входа в плотные слои атмосферы поворотные консоли крыла занимали вертикальное положение, становясь своего рода килями. В результате они оказывались в значительной степени защищенными от аэродинамического нагрева, а также существенно улучшали боковую и путевую устойчивость аппарата.
При уменьшении балансировочного угла до 30 градусов гиперзвуковое качество ЭПОСа улучшалось, возрастая до 1,5. Правда, нагрев экрана в таком случае мог заметно увеличиться, но не выше +1700 градусов — рубежа, допустимого для разрабатываемых сплавов. Зато возможности бокового маневрирования в атмосфере расширились: без включения двигателя, в чистом планировании можно было выбирать место посадки в радиусе 1500–1800 км. А с работающим воздушно-водородным двигателем АЛ-51, предусмотренным в компоновке ЭПОСа, расчетная дальность бокового маневра на дозвуковой крейсерской скорости далеко превосходила 2 тысячи километров.
