Как можно не восхищаться мощными ракетами, такими как Ангара А5? Их сила, красота и мощь впечатляют. Но есть один нюанс: ракеты — это дорого. Очень дорого.
Сила притяжения Земли тянет нас вниз, поэтому, чтобы оказаться на орбите, нужно не просто подпрыгнуть, а сделать это с такой силой, чтобы преодолеть притяжение Земли. Для этого нужно много топлива. Представьте: полмиллиона килограммов металла должны двигаться вверх, борясь с притяжением Земли.
Помимо этого, большая часть затрат на ракеты связана с тем, что они являются одноразовыми или частично многоразовыми. Но что, если использовать космический самолёт? Такие аппараты могут значительно снизить стоимость запусков — в 10 раз или даже больше. И они потенциально способны заменить традиционные ракеты. Чтобы понять, как это возможно, нужно разобраться в том, что такое топливо и как оно работает.
Топливо и окислитель: в чём подвох?
Топливо в ракетах — это не обычное горючее. Оно состоит из двух компонентов: топлива и окислителя. Для горения нужны три вещи: топливо, окислитель и энергия. Например, когда вы разжигаете костёр, топливом служат дрова, окислителем — кислород из воздуха, а энергией — спичка. В ракете же и топливо, и окислитель находятся внутри. Причём большая часть массы топлива — это как раз окислитель, обычно жидкий кислород.
Возникает вопрос: зачем везти с собой весь этот кислород, если ракета окружена воздухом, пока находится в атмосфере? Ответ прост: всё необходимое для полёта упаковывается в одну большую трубу, которая с помощью взрыва отправляется в космос.
Однако, если использовать самолёт, можно повысить эффективность, забирая кислород из воздуха, вместо того чтобы везти его с собой. Правда, это добавляет других сложностей и без того непростому механизму.
Проблема двигателей
Основная проблема космических самолётов — необходимость использовать несколько типов двигателей для разных этапов полёта. Современные самолёты используют турбовентиляторные двигатели. Они работают за счёт всасывания воздуха, его сжатия, смешивания с топливом и воспламенения. Но такие двигатели начинают терять эффективность на скоростях, близких к скорости звука (1 маха).
Чтобы преодолеть этот барьер, используется форсажная камера. Она добавляет топливо в остаточный кислород на выходе из двигателя, создавая дополнительную тягу. Это позволяет достичь скорости около 1,5 маха. Именно так истребители взлетают с коротких взлётных полос на авианосцах.
На более высоких скоростях (от 1,5 до 4 махов) используется прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД). Он проще по конструкции, но требует высокой начальной скорости для работы. ПВРД не имеет движущихся частей: воздух сжимается за счёт скорости, топливо впрыскивается и сгорает, создавая тягу.
А для сверхвысоких скоростей (от 6 махов и выше) нужен гиперзвуковой прямоточный двигатель (ГПВРД). Он ещё проще по конструкции, но создавать при этом их сложно. ГПВРД работает на сверхзвуковых скоростях, где сжигание топлива происходит в сверхзвуковом потоке воздуха. Пока такие двигатели остаются экспериментальными, но теоретически они могут разогнать аппарат до орбитальной скорости (25 махов).
Космические самолёты
Идеальный космический самолёт должен комбинировать все эти типы двигателей: турбовентиляторный для старта, ПВРД для разгона до 4 махов, ГПВРД для выхода в космос. А в космосе, где нет кислорода, можно переключиться на традиционные ракетные двигатели. Такой подход позволит значительно сократить расход топлива и увеличить полезную нагрузку. Более того, самолёт сможет садиться на обычную взлётную полосу, что решит проблему потери аппаратов после каждого запуска.
Сейчас есть две компании, которые работают над космическими самолётами. Virgin Galactic уже запустила свой SpaceShipTwo на высоту 100 км — это граница космоса. Однако этот аппарат не выходит на орбиту. Он поднимается на высоту 15,5 км с помощью самолёта-носителя, затем включает ракетный двигатель на 70 секунд, чтобы достичь скорости 2 500 км/ч. После этого он просто дрейфует до высоты 110 км, где пассажиры могут насладиться невесомостью, а затем возвращается на Землю.
Более амбициозный проект — Skylon от британской компании Reaction Engines. Это одноступенчатый космический самолёт, который сможет взлетать с обычной взлётной полосы и выходить на орбиту. Его двигатель, SABRE (Synergetic Air Breathing Rocket Engine), — это инженерное чудо. Он работает как турбовентиляторный на низких высотах, затем переключается на режим ПВРД, а в космосе использует жидкий кислород из баков. Планируется, что Skylon сможет доставлять грузы на орбиту к 2030-м годам.
Будущее космических самолётов
Если Reaction Engines удастся реализовать свои планы, Skylon может стать настоящим прорывом в космической индустрии. Он не только снизит стоимость запусков, но и откроет новые возможности для исследования космоса. Например, такие аппараты могут стать космическими заправками на орбите, что сделает межпланетные миссии более реальными.
Пока что космические самолёты остаются технологией будущего, но прогресс не стоит на месте. Кто знает, может быть, уже через десятилетие мы будем летать в космос на самолётах, как в обычные командировки.