На крыльях в космос

Более полувека прошло с момента первого полета человека в космос. Но, чтобы подняться на орбиту, мы все еще используем ракеты. Способ надежный и проверенный, но дорогой и оставляющий космос только избранным, число которых едва превысило 500 человек. Многоразовые воздушно-космические системы давно кажутся перспективной заменой ракетам.  Только представьте: вы садитесь в самолет-космолет и летите не на курорты Краснодарского края, а, допустим, в орбитальную гостиницу или на Луну. Мы подготовили для вас обзор проектов таких крылатых машин. Некоторые из них были реализованы и поставили рекорды высоты, остальные, возможно, только ждут своего часа. 

 
В самом деле, как высоко нужно подняться, чтобы по возвращении сказать, что ты побывал в космосе? В США астронавтом считается каждый, кто поднялся над Землей на высоту свыше 50 миль (80 км 467 м). В других странах, которые придерживаются определения Международной федерации аэронавтики (ФАИ), космическим считается полет, высота которого превышает 100 км над уровнем моря – линию Кармана. Эта условная линия названа в честь Теодора фон Кармана, который первым определил, что на такой высоте разреженность атмосферы достигает уровня, когда аэродинамическая авиация становится невозможной.

Чем выше поднимается самолет, тем большая скорость ему необходима, чтобы поддерживать полет при все понижающейся плотности атмосферы. В итоге на высоте 100 км для создания достаточной подъемной силы летательный аппарат должен иметь скорость, превышающую первую космическую – приблизительно 7,9 км/с (28 440 км/ч). Но ее уже достаточно, чтобы объект стал искусственным спутником нашей планеты, то есть совершал движение по орбите вокруг Земли. Спутникам, как известно, крылья не нужны. На самом деле, как граница между атмосферой Земли и космосом, линия Кармана достаточно условна. Атмосфера не заканчивается на высоте 100 км. Внешняя часть верхней атмосферы планеты (экзосфера) распространяется вплоть до высоты около 100 тыс. км. 

 

 
Это, кстати, и позволяет некоторым скептикам утверждать, что человечество якобы так и не вышло в космос, а все еще болтается в верхних слоях атмосферы. Орбита МКС, например, сейчас находится на высоте около 400 км над Землей. Из-за потери высоты в результате трения о разреженную атмосферу орбиту станции постоянно приходится поднимать. Поэтому на орбиты, близкие к линии Кармана, спутники практически никогда не запускают. Иначе после нескольких витков спутник опустился бы слишком низко и в итоге сгорел в атмосфере. 

Но и самолеты не подбираются к этой отметке. 90 процентов атмосферы планеты лежит в пределах 15–16 км от поверхности. Потолок пассажирских авиалайнеров, летающих с дозвуковой скоростью, – 12,5 км. Сверхзвуковые «Конкорд» и ТУ-144 могли подниматься до 18,3 и 20 км соответственно. Практический потолок боевых сверхзвуковых истребителей – 17–22,5 км. Максимальная высота полета стратегического сверхзвукового разведчика ВВС США Lockheed SR-71 Blackbird составляла около 29 км. 

Почему же ракеты поднимаются гораздо выше, а самолеты нет? Во-первых, ракете для подъема не нужно «опираться на воздух», как это делают самолеты. Во-вторых, ракета кроме топлива со старта везет с собой и окислитель. Например, ракета-носитель «Союз» использует в качестве топливной пары реактивный керосин и жидкий кислород. В отличие от ракеты, самолет берет кислород из атмосферного воздуха. На большой высоте его уже просто не хватает для работы двигателя, ведь с ростом высоты плотность атмосферы уменьшается. Опять же не стоит забывать, что для выхода на орбиту нужно разогнаться до первой космической скорости.

Спустя два года после того, как Юрий Гагарин стал первым человеком, полетевшим в космическое пространство, а Алан Шепард стал первым американцем, совершившим суборбитальный космический полет, Джозеф Уокер поднялся выше линии Кармана на экспериментальном самолете-ракетоплане North American X-15. Схожий по некоторым летно-техническим и массогабаритным характеристикам с немецкой баллистической ракетой «Фау-2», его ракетоплан был оснащен жидкостным ракетным двигателем и стартовал с самолета-носителя – бомбардировщика NB-52A. 
 

Но, в отличие от «Фау‑2», разработанной будущим «отцом» американской лунной программы Вернером фон Брауном и принятой на вооружение вермахта в конце Второй мировой войны, X-15 использовал как ракетное топливо аммиак, а не этанол. В качестве окислителя в обоих случаях выступал жидкий кислород. Главной задачей проекта было изучение возможности создания пилотируемого суборбитального гиперзвукового бомбардировщика. 

 

В первом рекордном полете 19 июля 1963 года Уокер поднялся до высоты 106 009 м, а через месяц, 22 августа, – до 107 960 м. Отцепка от самолета-носителя, летящего со скоростью 900 км/ч, происходила на высоте 13,5–15 км. После чего всего на 85 секунд включался жидкостный ракетный двигатель. К моменту его выключения ракетоплан уже испытывал перегрузку в 4 g (39 м/с²), а максимальная скорость достигала 7 274 км/ч. Так X-15 поднимался до высоты 50 км, после чего летел по баллистической траектории, в апогее которой и пересекал линию Кармана. Его скорость была примерно в четыре раза меньше первой космической, и ракетоплан не выходил на орбиту. Такой полет называется суборбитальным. Последующее приземление на авиабазе самолет осуществлял самостоятельно. Продолжительность полета от момента отделения от самолета-носителя до посадки составляла 12–15 минут. 

 
Рекорд, установленный Джозефом Уокером, продержался 41 год. В наше время появились новые цели, ради которых стоило бы достигнуть космоса, а именно космический туризм. Но нового рекорда, наверное, не было бы, если бы не фонд X Prize и объявленное им вознаграждение в размере 10 000 000 долларов тому, кто совершит два пилотируемых суборбитальных космических полета на одном многоразовом космическом аппарате в течение двух недель. Первоначальные условия X Prize были объявлены 18 мая 1996 года.
 

Прошло восемь лет, и 4 октября 2004 года аппарат SpaceShipOne, пилотируемый Брайаном Бинни, в своем втором полете поднялся на высоту более 112 км и успешно опустился на Землю. Так же как и X-15, он отделялся от самолета-носителя. Для этого компания Scaled Composites LLC помимо самого космического корабля SpaceShipOne спроектировала и построила для него «воздушный космодром» – уникальный самолет-носитель WhiteKnight. 

После отстыковки SpaceShipOne включал ракетный двигатель и в апогее параболической баллистической траектории выходил в космос. В отличие от предшественника, он был рассчитан на 3-х человек, а в качестве топливной пары использовал полибутадиен и оксид азота (I). После получения приза его создатели сконцентрировались на следующей версии частного космического корабля – SpaceShipTwo.

4 февраля 1986 года 40-й президент США Рональд Рейган обратился с ежегодным посланием к Конгрессу. В своей речи, которая была произнесена всего через несколько дней после гибели шаттла «Челленджер», он объявил о постройке нового «Восточного экспресса» – пассажирского лайнера, который, вылетев из столичного аэропорта им. Даллеса, всего за 2 часа смог бы долететь до Токио. Имея при этом возможность разогнаться до скорости в 25 раз выше звуковой, пилотируемый космоплан мог бы выйти на орбиту. 
 

Речь шла о Rockwell X-30 – проекте воздушно-космического самолета с горизонтальными стартом и посадкой. Так же как и X-15, он относился к самолетам серии X (от слова еxperimental – «экспериментальный»). Так в США называют летательные аппараты, предназначенные для отработки перспективных технологий. 

Проект предусматривал установку на космоплан прямоточных гиперзвуковых двигателей. Конфигурация планера Х-30 была рассчитана для обеспечения их работы. Небольшие крылья были нужны только для управления траекторией полета и улучшения устойчивости. Вот только для полета с дозвуковыми скоростями, а также взлета и посадки, такая конфигурация оказалась не совсем удачной. Да и минимальная рабочая скорость гиперзвукового прямоточного двигателя составляла примерно 7–8 Махов (1 Мах равен скорости звука в воздухе), так как он нуждался в постоянном проходящем через него сверхзвуковом воздушном потоке. А значит, нужно было искать способ для разгона самолета до этой скорости. Проект так и не довели даже до создания прототипа и в 1992 году окончательно закрыли. 

 
Но работу над прямоточным реактивным двигателем продолжили по программе NASA Hyper-X. Созданный в рамках программы беспилотный гиперзвуковой летательный аппарат X-43 использует для достижения нужной скорости и высоты разгонный блок крылатой ракеты-носителя легкого класса Pegasus. При этом разгонный блок с закрепленным на нем аппаратом X-43 сбрасывается с самолета-носителя B-52 Stratofortress. На сегодняшний день X-43 – самый быстрый самолет. 16 ноября 2004 года в третьем испытательном полете им был установлен рекорд скорости – 11 850 км/ч (9,6 Маха).

 
Проект частной американской компании XCOR Aerospace изначально был рассчитан только на применение ракетных двигателей. Запас горючего и окислителя находился на борту и использовался с самого начала полета. 

Рассчитанный только на одного пассажира и пилота ракетоплан Lynx должен был найти применение в сфере космического туризма. Аппарат стартовал бы горизонтально как самолет, но сразу после отрыва от взлетно-посадочной полосы резко взмывал вверх. Основные двигатели – только ракетные, работающие на топливной паре: керосин и жидкий кислород. Вот только до заветной высоты в 100 км летательный аппарат добраться не смог бы. Максимальная высота полета Lynx Mark I – 61 км. Впрочем, и здесь уже есть на что посмотреть. Практически вся атмосфера уже осталась внизу, поэтому небо над головой черного цвета, видны яркие звезды, а край планеты, окаймленный голубой атмосферой, имеет характерное закругление. 

 

При этом четыре двигателя выключались бы уже на высоте 42 км, когда ракетоплан достигнет скорости в 2 Маха. Дальше полет должен был продолжаться по инерции. При этом в апогее полета пассажир и пилот испытывали бы состояние невесомости, что делало полет еще более «космическим». 

Проект был приостановлен в мае 2016 года. При этом XCOR Aerospace не отказалась от Lynx: работу продолжат позже. Сейчас, как было заявлено, компания решила сосредоточиться на разработке ракетного двигателя для United Launch Alliance.

 
Разрабатывали воздушно-космические самолеты и в нашей стране. Советские конструкторы не отставали от заокеанских коллег. Созданный туполевским ОКБ-156 проект воздушно-космического самолета Ту‑2000 предусматривал силовую установку, включающую в себя несколько двигателей разных типов. Четыре турбореактивных двигателя находились в хвостовой части самолета. Под фюзеляжем, в задней его части, располагался основной разгонный прямоточный воздушно-реактивный двигатель. Для маневрирования в космическом пространстве предназначались два жидкостных ракетных двигателя, размещенные в хвостовой части между турбореактивными. 
 

Каждому типу двигателей отводилась своя роль. ТРД предназначались для взлета и полета на малых скоростях. Их скоростной диапазон – от 0 до 2,5 Махов. Прямоточный ВРД обеспечивал разгон до 20–25 Махов. Ракетные разгоняли самолет до орбитальной скорости. 

Ту-2000 должен был иметь треугольное крыло малого удлинения и относительно небольшой площади. Основная роль в создании подъемной силы была отведена фюзеляжу с плоской нижней поверхностью. В нем размещались топливные баки с жидким водородом, который предназначался для питания всех двигателей самолета. В хвостовой части фюзеляжа находились баки с окислителем – жидким кислородом, необходимым для работы ракетных двигателей. 

Предполагалось три варианта самолета: стратегический бомбардировщик с дальностью 10 000 км, многоразовый воздушно-космический самолет с возможностью вывода грузов на орбиту высотой 200 км и пассажирский гиперзвуковой лайнер.
 

 
Из всех советских проектов наибольшую проработку получила авиационно-космическая система «Спираль», задуманная в 60-х годах прошлого века. Мини-шаттл, внешне похожий на Lynx, только появившийся гораздо раньше, должен был стартовать с гиперзвукового самолета-разгонщика, а далее для выхода на орбиту разгоняться ракетой. Самолет для осуществления воздушного старта также предстояло создать с нуля. Поэтому рассматривали два варианта: с двигателями на жидком водороде и на керосине. В первом случае орбитальный самолет с ракетным ускорителем отделялся бы от разгонщика на высоте 28–30 км и скорости 6 Махов. Во-втором – на высоте 22–24 км и скорости 4 Маха. Выводиться космический самолет должен был на достаточно низкую орбиту высотой 130 км. По этой причине он мог осуществить только 2–3 витка вокруг планеты. 
 

 
Для орбитального маневрирования предусматривали жидкостный ракетный двигатель, а для полета на дозвуковых скоростях и посадки – турбореактивный. Космический самолет мог использоваться как для вывода грузов на орбиту, так и для военных нужд, в частности для разведки, поражения наземных и космических целей. Разработкой системы занималось ОКБ-155 А. И. Микояна. Для проведения испытательных полетов сделали несколько беспилотных аппаратов меньшего размера. Создали и пилотируемый аналог орбитального самолета, стартовавший из-под фюзеляжа бомбардировщика Ту-95К.

 
Разработка проекта многоцелевой авиационно-космической системы (МАКС) велась с начала 1980-х годов. Одно время после полета советского «шаттла» систему МАКС даже назвали новым «Бураном». Стартовать орбитальный ракетоплан должен был с самолета-носителя Ан-225 «Мрия». К слову, причиной постройки транспортного самолета сверхбольшой грузоподъемности была необходимость создания авиатранспортной системы для проекта многоразового космического корабля «Буран». «Мрия» могла перевозить как сам «Буран», так и элементы ракеты «Энергия». 
 

Было предусмотрено три варианта реализации проекта. В пилотируемом варианте ракетоплан взлетал с помощью собственных ракетных двигателей. Топливо и окислитель размещались в одноразовом внешнем топливном баке. В этом МАКС был больше похож на американский многоразовый транспортный космический корабль Space Shuttle, чем на советскую систему «Энергия–Буран». Беспилотный вариант предполагал размещение топлива и окислителя внутри ракетоплана. В третьем варианте для вывода груза на орбиту и вовсе использовали одноразовую ракетную ступень.
 

 
В Британии попытки создать воздушно-космический самолет предпринимали с 80-х годов. Закрытый сейчас проект HOTOL (Horizontal Take-Off and Landing) предусматривал создание ВКС с горизонтальными взлетом и посадкой. При полете в нижних слоях атмосферы двигатель такого самолета использовал бы в качестве окислителя забортный атмосферный кислород, а поднявшись выше, – жидкий кислород из своих баков. В качестве топлива выступал жидкий водород, который также был задействован в непосредственном предварительном охлаждении поступающего в двигатель воздуха. 
 

Что интересно, один из вариантов проекта – HOTOL-2 – предусматривал возможность старта с самолета-носителя. Им должен был выступить Ан-325 – восьмидвигательный вариант известного нам Ан-225. Но проект оказался неэффективен по сравнению с традиционными ракетами. В то же время труд инженеров не пропал даром.

В 1989 году один из разработчиков HOTOL – Алан Бонд – создал компанию Reaction Engines Limited (REL), которая приступила к разработке проекта аэрокосмической системы Skylon. И хотя с момента работы над проектом прошло уже достаточно много времени, а действующий прототип так и не был создан, сегодня это самый многообещающий и наиболее реальный проект. Предполагается, что его реализация должна снизить стоимость вывода грузов на орбиту примерно в 15–50 раз. 
 

 
Проект недавно получил положительную оценку экспертов ESA (Европейского космического агентства), а компания – деньги на продолжение исследований. В обмен на 20-процентную долю в компании BAE Systems инвестирует в Reaction Engines 20,6 миллиона фунтов стерлингов. В сентябре прошлого года Reaction Engines уже заявила, что перешла к окончательному этапу разработки полнофункционального прототипа двигателя для Skylon. 

Так же как и HOTOL, Skylon использует топливную пару водород–кислород. Взлетать и садиться будет как обычный самолет. Причем, начиная с рулежки по аэродрому и заканчивая выходом на орбиту, он будет пользоваться одними и теми же двигателями – уникальными SABRE (Synergetic Air-Breathing Rocket Engine), способными работать как в атмосфере, так и в космосе. Они совмещают в себе все преимущества воздушно-реактивного и ракетного двигателей. После достижения скорости 5,14 Маха и высоты 26 км конус воздухозаборника закрывается, двигатель переходит полностью в ракетный режим и получает окислитель из двух собственных баков. 
 

 
У SABRE два режима работы. При этом реализация первого – воздушно-реактивного – является наиболее сложной частью проекта. На этапе работы двигателя в этом режиме он потребляет кислород из атмосферного воздуха. Но проблема в том, что воздух, поступающий на высокой скорости в двигатель, раскален до температуры 1000 °C и требует предварительного охлаждения. Именно теплообменник-охладитель, разработанный компанией Reaction Engines, является особенностью двигателя SABRE. Он охлаждает воздух до температуры –150 °C за одну сотую долю секунды. Это позволяет уберечь от высокой температуры элементы двигателя и максимально сжать воздух перед подачей в основные камеры сгорания, которых у двигателя четыре. Поступающий в них из турбокомпрессора воздух сжат до давления в 140 атмосфер. Для охлаждения воздуха используется гелий. Сам он, циркулируя в замкнутом контуре, охлаждается жидким водородом, находящимся на борту в качестве топлива. 

Охлаждение поступающего воздуха позволило отказаться от тугоплавких и тяжелых сплавов на основе меди или никеля, и сделать двигатель и, соответственно, самолет легче. Водород, испарившийся при охлаждении гелия, попадает уже во вспомогательные прямоточные камеры сгорания, расположенные вокруг основных и дающие дополнительную тягу. 

Skylon сможет доставлять на низкую орбиту грузы массой от 11 (800 км) до 15 тонн (300 км). Для вывода груза на более высокую орбиту, например, геостационарную высотой 35 786 км, предусмотрен дополнительный отделяющийся модуль, который предполагается как многоразовым, так и одноразовым, если вес груза превышает 6,4 тонны. 

Сможет Skylon доставлять на орбиту и пассажиров. Для этого придумано оригинальное решение: в грузовом отсеке разместят обитаемый модуль – SPLM (Skylon Payload & Logistics Module). Он будет включать в себя салон для пассажиров, место для размещения багажа и грузов, а также стыковочный узел. Для того чтобы люди могли полюбоваться видом Земли из космоса, в верхней части обитаемого модуля предусмотрены иллюминаторы. Правда, взглянуть на планету пассажиры смогут только после подъема на орбиту. Тогда створки грузового отсека можно будет открыть, а сам космолет повернуть «окнами» к Земле. 

Технологии Reaction Engines произведут революцию и в авиаперевозках в пределах Земли. В рамках программы LAPCAT (Long-Term Advanced Propulsion Concepts and Technologies), финансируемой Евросоюзом, компания ведет разработку глобального гиперзвукового пассажирского авиалайнера А2 и воздушно-ракетного двигателя Scimitar. Взяв на борт 300 пассажиров, А2 с четырьмя двигателями Scimitar сможет преодолеть расстояние от Брюсселя до Сиднея менее чем за 4 часа. Полет будет проходить на высоте более 25 км. Обычный «дозвуковой» аэробус пролетает это расстояние за 22 часа.