Было очевидно, что для решения поставленных задач орбитальные самолеты нужно создавать в вариантах разведчика, ударного ракетоносца, инспектора-перехватчика и транспортного самолета. К поисковым работам по теме «Спираль» на этапе подготовки аванпроекта был привлечен ряд головных организаций Министерства авиационной промышленности, общего машиностроения, радиопромышленности, электронной промышленности и министерства обороны. Советский Союз серьезно готовился к масштабной войне в космосе и из космоса…
В соответствии с требованиями заказчика, конструкторы взялись за разработку многоразового двухступенчатого ВОС, состоящего из гиперзвукового самолета-разгонщика (ГСР) и военного орбитального самолета (ОС) с ракетным ускорителем.
Старт системы предусматривался горизонтальный, с использованием разгонной тележки. Отрыв происходил на скорости 380-400 км/ч. После набора с помощью двигателей ГСР необходимых скорости и высоты, происходило отделение ОС. Его дальнейший разгон происходил с помощью ракетных двигателей двухступенчатого ускорителя.
Боевой пилотируемый одноместный ОС многоразового применения предусматривал использование в вариантах дневного фоторазведчика, радиолокационного разведчика, перехватчика космических целей или ударного самолета с ракетой класса «космос- Земля» (в аванпроекте этот класс ударных ракет обозначен как «Орбита-Земля») и мог применяться для инспекции космических объектов.
Вес самолета во всех вариантах составлял 8800 кг, включая 500 кг боевой нагрузки в вариантах разведчика и перехватчика и 2000 кг – в варианте ударного самолета. Причем задача полета должна была выполняться в течение 2-3 витков (третий виток посадочный). Маневренные возможности ОС с использованием бортовой ракетной двигательной установки, работающей на высокоэнергетических компонентах топлива, должны были обеспечивать изменение наклонения орбиты для разведчика и перехватчика на 17 градусов, для ударного самолета с ракетой на борту (и уменьшенном запасе топлива) – на 7-8 градусов. Перехватчик также был способен выполнить комбинированный маневр – одновременное изменение наклона орбиты на 12 градусов с подъемом на высоту до 1000 км.
После выполнения орбитального полета и включения тормозных двигателей ОС должен был входить в атмосферу с большим углом атаки. Управление на этапе спуска предусматривалось изменением крена при постоянном угле атаки. На траектории планирующего спуска в атмосфере задавалась способность совершения аэродинамического маневра с боковым отклонением ±1100-1500 км. В район посадки орбитальный самолет должен был выводиться с выбором вектора скорости вдоль оси взлетно-посадочной полосы, что достигалось выбором программы изменения крена. Маневренность самолета позволяла обеспечить посадку в ночных и сложных метеоусловиях на один из запасных аэродромов на территории Советского Союза с любого из 3-х витков. Посадка совершалась с использованием турбореактивного двигателя на грунтовой аэродром II класса со скоростью не более 250 км/ч.
Согласно подписанному 29 июня 1966 г. Г.Е.Лозино-Лозинским и утвержденному Генеральным конструктором А.И.Микояном аванпроекту (кроме Лозино-Лозинского, представленного на титульном листе как «Г.Лозинский», аванпроект также подписал заместитель Генерального конструктора А.Чумаченко), ВОС с расчетной массой 115 тонн представлял собой состыкованные воедино 52-тонный гиперзвуковой самолет-разгонщик (получивший индекс «50-50») и расположенный н-а нем пилотируемый ОС (индекс «5С») с двухступенчатым ракетным ускорителем – блоком выведения.
Индекс «50» в обозначениях аппаратов был не случаен – близилась пятидесятая годовщина Великой октябрьской социалистической революции, а такие даты было принято встречать новыми трудовыми успехами. «Спираль» должна была стать одним из них.
В основном варианте на ГСР предполагалось установить четыре воздушно-реактивных двигателя (ВРД), работающих на жидком водороде. ГСР использовался для разгона ВОС до гиперзвуковой скорости, соответствующей М=6 (около 1800 м/сек), затем на высоте 28-30 км происходило разделение ступеней, после чего ГСР возвращался на аэродром, а ОС с помощью ЖРД блока выведения выходил на рабочую орбиту.
Для ускорения летной отработки самолета-носителя была предусмотрена установка четырех ВРД (Р-39-300), работающих на керосине и имеющих примерно аналогичный расход воздуха. ВОС позволял вывести на полярную орбиту полезный груз массой до 10,3 т при использовании на ГСР силовой установки на жидком водороде и груз 5,0 т с силовой установкой ГСР на керосине.
Таким образом, коллектив ОКБ-155 А.И.Микояна летом 1966 г. принялся за разработку воздушно-орбитального самолета, который благодаря особенностям заложенных конструктивных решений и выбранной схеме самолетного старта позволял реализовать принципиально новые свойства для средств выведения военных нагрузок в космос:
– вывод на орбиту полезного груза, составляющего по весу 9% и более от взлетного веса системы;