Самолеты летают очень высоко, но нельзя ли их запустить еще выше в открытый космос? -Нет, конечно! Как такое может в голову прийти?
Когда вы стремитесь вывести спутник на орбиту, то главная трудность не в наборе высоты, а в том, что нужно лететь очень быстро. Для этого требуется большое количество топлива.
При использовании космоплана - "космического самолета" - можно добиться уменьшения топлива. Для того,чтобы понять, почему это происходит, нужно знать, что из себя представляет топливо.
Если вы назовете топливо "горючим", то инженер Роскосмоса или НАСА скорее всего побьет вас логарифмической линейкой или хорошеньким портативным компьютером. На самом деле топливо, это сочетание 2-ух составляющих - горючего и окислителя.
Горючее и окислитель загружаются внутрь ракетоносителя, кстати на окислитель (чаще жидкий кислород) приходится большая часть общей массы топлива. Но ведь на протяжении значительной части пути ракета и так окружена кислородом, зачем же это? Не будем вдаваться в подробности, это делается простоты ради. Ракета - это весьма грубое средство для полета в космос. Мы засовываем в неё все, что нужно и закидываем в небо.
Основным недостатком космоплана является то, что для полета на разных скоростях и стадиях пути требуется несколько двигателей разных типов. В основном современные самолеты используют турбовентиляторные двигатели. Они устроены весьма сложно, но принцип действия достаточно прост. Вентиляторы нагнетают воздух в камеру. Воздух сильно сжимается (получаем окислитель). Затем в камеру впрыскивают топливо и поджигают эту смесь. На выходе выпускается горячий сжатый воздух, одновременно происходит засасывание внутрь новой порции. Турбовентиляторы сталкиваются со сложностями при приближении к скорости звука (1Мах), поскольку воздух не может обтекать самолет с той же скоростью, с которой он копится. Если в воздухозаборнике есть вентилятор, то это мешает ему корректно работать.
Решением такой проблемы является форсажная камера. Она собирает кислород позади турбовентилятора, добавляет горючего и поджигает. То есть в задней части непрерывно происходит взрыв. Таким образом можно достигнуть скорости в 1,5 Маха, хотя это не особо эффективный способ, но от 1,5 Маха можно можно перейти на тип прямоточного воздушно-реактивного двигателя.
Прямоточный двигатель прост, но его не так легко сделать. По сути этот же турбовентиляторный движок, но за вычетом всех движущихся деталей, в том числе и вентилятора. Вентилятор уже не нужен, так как сжатие обеспечивается высокой скоростью. Недостатком такой системы является то, что, поскольку роль компрессора выполняет сама скорость, на таком двигателе невозможно стартовать. Его использование начинается от скорости примерно 1800 км/ч.
Для дальнейшего разгона нам потребуется гиперзвуковой прямоточный движок. Он устроен еще проще, и сделать его еще труднее. Воздух, поступая на гиперзвуковой скорости и смешиваясь с горючим, воспламеняется сразу без промедления. Но добиться этого не просто, словно бы мы пытались поджечь свечку на ветру со скоростью гиперзвука. Такие движки становятся эффективными на скоростях от 7250 км/ч. В теории могут могут развить скорость до 25 Махов, а это соответствует орбитальной скорости. В разработке такого двигателя добились лишь ограниченного успеха военные.
Идеальный космоплан должен обладать всеми этими двигателями. В самом же космосе, где нет окислителя, он должен перейти на традиционную ракетную тягу. Использование кислорода до выхода в космос из окружающей среды, а не из бака должно должно уменьшить его массу и увеличить грузоподъемность. Кстати, раз речь идет о самолете, то он должен суметь и приземлиться с возможностью повторного запуска в космос. Но как все это оптимизировать, когда машины находятся в таких экстремальных нагрузках.
Британская компания Reaction Engines работает над космическим кораблем Skylon, в котором используется двигатель Synergetic Air-Breathing Rocket Engine (SABRE). По сути это ракета, которая использует для реакции сгорания атмосферный кислород. Двигатель спроектирован с переключением из турбвентиляторного в прямоточный, а позже в ракетный. Фаза работы в гиперзвуке отсутствует, поскольку, честно говоря, особо никто не знает, как его сделать.
Ракета имеет много недостатков, которые упоминались в предыдущей статье, однако большим преимуществом остается простота. Она отлично работает на низкой и высокой скорости, в плотных слоях атмосферы или вовсе без нее. Почему бы не попробовать что-то более старомодное?
В следующей статье расскажу вам все об огромных супермегапушках.