Первой
мыслью заключительной статьи о гиперзвуковых задумках человечества было
озаглавить её, как «Хороший самолёт должен быть большим», но потом
подумал, что те технические концепты, о которых я хотел рассказать в
этой заключительной статье — так и остались стоять на Земле.Как приведенный на первой фотографии студенческий макет так и не взлетевшего в конце 1980-х годов американского ракетоплана Х-30. И решил назвать статью «Время гигантов».
Может быть, все эти гиганты и были хорошими самолётами, но, наверное, где-то в другой, параллельной с нашей реальности.
В которой в начале XXI века человечество уже имеет обитаемую базу на Луне, построило там заправочную станцию для межпланетных ракет — и штурмует ближние рубежи своей собственной Солнечной системы, вовсю осваивая Марс и спутники Юпитера, помышляя об энергетических станциях на Меркурии и терраформировании Венеры.
В силу чего тому, параллельному человечеству по-прежнему нужны сотни и сотни тонн грузов на околоземной орбите, потому что быстро растущий фронтир требует всего того, что может пока произвести только Терра.
Но — река времени потекла совершенно в ином направлении. И оставила нам лишь массу нереализованных проектов, которые так и ждут того самого прихода «эпохи гигантов».
Завтра, послезавтра — или же в следующем столетии. Если, конечно, нам повезёт и новый тёмный век не растянется на целое тысячелетие...
Все описанные в данной статье проекты и концепции осуществимы на инженерном и физическом принципе.
Проблема для большинства из них состоит в ином: для их гигантских размеров ни тогда, когда их разрабатывали, ни сейчас — просто нет такого потока грузов на орбиту, которые бы оправдали создание и поддержание эксплуатации этих «самолётно-космических монстров».
Ведь, как ни крути, а сегодня основной заказчик космоса — это системы глобального позиционированния и связи. И вечные военные с их вечным желанием пошпионить за вероятным противником.
А всё остальное — пока лишь блоха на загривке у этих двух быков, которые ещё тянут вперёд и беспилотную, и, отчасти, пилотируемую космонавтику.
Однако, начнём по порядку.
Что же делает космический самолёт — самолётом?
Интуитивно понятно, что крылья.
В случае же космических систем — это возможность производить или горизонтальный взлёт с космодрома — или же производить горизонтальную посадку. Или же делать и то, и другое одновременно. По-английски эти аббревиатуры звучат, как VTHL (вертикальный взлёт, горизонтальная посадка) и HTHL (горизонтальный взлёт, горизонтальная посадка).
Классическая же ракета с вертикальным взлётом и баллистическим возвращаемым аппаратом, который спускается на парашютах или на реактивной струе, имеет формулу VTVL (вертикальный взлёт, вертикальная посадка).
Формулу НTVL (горизонтальный взлёт, вертикальная посадка) пока никто не применял, в силу её инженерной тупости: если уж вы смогли взлететь горизонтально, то особого смысла садиться вертикально у вас нет.
За всё время космических полётов, начиная с 1957 года, в мире пока было реализовано шесть проектов космических самолётов — два советских («Буран» и «Спираль») и четыре американских (Х-15, Space Shuttle, SpaceShipOne и X-37).
Вот они все, за исключением «Спирали»:
У СССР оба проекта реально были реализованы по схеме VTHL (хотя «Спираль» и планировали использовать по схеме НТНL), у США по схеме HTHL летали суборбитальные самолёты X-15 и SpaceShipOne, а по схеме VTHL — более тяжёлые космические самолёты: пилотируемый SpaceShuttle и беспилотный X-37.
Современный беспилотный Х-37 — это нынешний потолок военных. Это небольшой аппарат, весом всего около 5 тонн, с полезной нагрузкой в 900 килограмм, выводимой на орбиту или же сбрасываемой на головы вероятного противника — и он вполне достаточен для выполнения большинства задач, которые ставит сегодня перед собой Пентагон:
Даже «Буран» и «Спейс Шаттл» оказались для космоса «слишком большими» и «безнадёжно невыгодными».
Но, ещё 50 лет тому назад люди думали совсем иначе.
Первым проектом «космического самолёта» являлся целый «букет» НИОКР, которые проводились в США в период с 1957 по 1963 год и получили впоследствии общее, зонтичное название Aerospaceplane-1. Номер «1» появился возле описания данных разрозненных НИОКР впоследствии, для того, чтобы отличить эти разработки конца 1950-х - начала 1960-х от последующего проекта Х-30, который в официальных бумагах также иногда именовался National Aerospaceplane.
В создании Aerospaceplane-1 принимали участие такие гиганты, как «Боинг», «Норт Америкен», «Дуглас» и «Локхид». Первый космический самолёт предлагали оснащать различными типами двигателей — от гиперзвуковых воздушно-реактивных двигателей с сжижением атмосферного кислорода и вплоть до прямоточных ядерных.
Для варианта со сжижением атмосферного кислорода действовала следующая схема: поступающий в носовые воздухозаборники атмосферный воздух попадал в теплообменники, в которых циркулировало топливо — жидкий водород и полученный в результате сжижения воздуха жидкий воздух. Первым теплообменным контуром планировался контур на жидком воздухе, который одновременно позволял произвести и его очистку от азота в процессе ректификации. В результате входящий воздушный поток охлаждался, а полученный жидкий воздух очищался от азота.
Сжиженный кислород, очищенный от азота, подавался затем в буферный бак, из которого шёл в двигатель, а предохлаждённый в первом контуре воздух из воздухозаборников поступал на охлаждение жидким водородом.
В 1960 году на этом принципе работы даже был создан двигатель-демонстратор с тягой 125 Ньютонов (около 12 килограмм), который успешно проработал около пять минут.
После этого испытания инновационного СПВРД и ГПВРД велись в США с перерывами вплоть до 1974 года о чём можно достаточно популярно прочитать вот в этом многостраничном докладе (страница 1-10).
В полёте и в аэродинамических трубах было испытана масса прототипов СПВРД и ГПВРД, однако до ситуации применения на реальных летательных аппаратах ни один так и не дошёл.
В результате к моменты фактического окончания работ по проекту Aerospaceplane-1 у рабочих групп был лишь прототип ГПВРД, испытанный на скорости около 4М и развивший тягу в 517 фунтов (около 220 килограмм).
Но, из-за новизны технических решений и неопределённости многих моментов конструкции самого аппарата, проект Aerospaceplane-1 и разработка двигателей именно для него были тихо прекращены в 1964 году. Возможно, что влияние на это оказали и общие параметры стоимостей и сроков воплощения проекта: все подрядчики оценивали даже тогда стоимость создания такого космического самолёта в сумму не менее 5 млрд. долларов США при возможном первом запуске самолёта в 1970-1972 годах.
Приоритет, как мы помним, тогда был отдан программе «Аполлон».
Нам же в наследство остались только эскизы «космического самолёта», которые оставили нам неудавшиеся подрядчики:
Дальше, уже начиная с середины 1960-х годов, инженерная мысль, касающаяся космических самолётов, и в США, и в СССР понеслась просто-таки галопом.
Проекты космопланов причудливым образом перемешивались с ракетами, в итоге породив совершенно невообразимый список различных концептов и проектов, который даже в Википедии поражает воображение.
Я постараюсь рассмотреть в статье лишь некоторые из них — самые интересные и самые важные с точки зрения дальнейшего развития инженерно-конструкторской мысли.
Нужно понимать, что конец 1960-х - первая половина 1970-х годов ознаменовался реальным переломом в космической эре — и судорожными поисками новых путей дальнейшего освоения космического пространства.
Циклопическая программа «Аполлон», создавшая, так или иначе, целую эпоху в американской истории освоения космического пространства, была завершена в 1972 году. Такая же участь постигла и советскую лунную программу двумя годами позже, после последнего, неудачного пуска сверхгигантской ракеты Н-1.
И вот тут-то и встал простой вопрос: что делать дальше и как поступить со всеми готовыми технологиями обеих лунных программ? (Конспирологи, вам вообще-то, сюда — а не на поиски артефактов на лунных фотографиях).
Скажу сразу — итогом ситуации было то, что обе программы, и американская «Сатурн-Аполлон» и советская «Н1-Л3» — так и остались «реликтами 1960-х годов», мало что дав будущему.
Но — идеи остались:
1. «Сатурн-Спейс Шаттл»
Концепт системы «Сатурн-Спейс Шаттл» в представлении художника NASA, 1970-й год.
Для вывода будущего космического челнока «Спейс Шаттл» предполагалось использовать первую ступень гигантской ракеты «Сатурн-V». В качестве второй ступени должны были использоваться собственные двигатели «Шаттла», которые бы получали водород и кислород из своего собственного подвесного бака.
Получившаяся схема очень напоминала оригинальный «Шаттл» с его полётной схемой VTHL, однако максимально использовала задел предыдущих программ.
В дальнейшем концепция «Сатурн-Шаттл» несколько раз перерабатывалась, но по итогам от использования задела лунной программы и первой ступени «Сатурн-V» отказались, сделав выбор в пользу разработки совершенно новой системы. Окончательную точку в разработках «Сатурн-Шаттла» поставил в 1972 году президент Никсон, который, одновременно с закрытием лунной программы предпочёл дать НАСА задание на разработку нового носителя.
2. Boeing Space Freighter.
Совершенно циклопическая затея «Боинга», которую он пытался пропихнуть в свет на фоне топливного кризиса 1973 года. («О, господи, нефть по 40 долларов! Мы все умрём!»).
Для понимания габаритов и массы затеянного «Боингом» — сравнительная диаграмма различных проектов космического запуска конца 1960-х-начала 1970-х в сравнении с «Боинг Спейс Фрейтер»:
Основной идеей столь гигантского носителя, да ещё и многоразового (схема VTHL для обеих ступеней) было создание на орбите солнечных энергостанций. «Боинг Спейс Фрейтер» должен был быть основной «рабочей лошадкой» для сборки на орбите солнечных электростанций.
При общей массе солнечной электростанции в 50 000 тонн, несмотря на 420-тонную грузоподъёмность «Боинг Спейс Фрейтера», тем не менее, понадобилось бы не менее 120 пусков многоразовой системы на околоземную орбиту.
Первая ступень комплекса должна была быть автоматической, вторая подразумевала пилотируемость и позволяла осуществлять ротацию персонала на планируемых солнечных электростанциях.
Получившаяся громадная конструкция солнечной электросатнции, размером в 10,5 на 5,2 километра, согласно замыслу «Боинга» и НАСА, должна была выдавать около 5 ГВт практически бесплатной электроэнергии на протяжении минимум 20 лет.
3. МГ-19.
Советский проект многоразовой аэрокосмической системы.
Проект одноступенчатого воздушно-космического самолета, прорабатывавался в НИИ-4 Министерства обороны группой под руководством Олега Гурко.
Первоначальный проект аппарата, который группа разрабатывала в конце 1960-х годов, был оборудован силовой установкой, состоящих из нескольких комбинированных прямоточных жидкостных ракетных двигателей, использующих на этапах взлёта и посадки атмосферный воздух в качестве рабочего тела.
Прямоточные ЖРД отличаются от рассматривавшихся мною раннее классических сверхзвуковых и гиперзвуковых ПВРД тем, что если в ПВРД набегающий поток воздуха сначала сжимается за счет собственной кинетической энергии набегающего потока, а затем разогревается при сжигании топлива и выполняет при этом полезную работу, то в прямоточном ЖРД воздух разогревается самой струей ЖРД, которая бьёт прямо в воздушный тракт прямоточного двигателя.
Помимо варианта многорежимности, который подразумевает работу такого ЖРД в безвоздушном пространстве как обычного ракетного двигателя, такой комбинированный ЖРД на атмосферном участке создает дополнительную тягу за счет возникновения инжекционного эффекта. В качестве топлива в первом варианте «гурколёта» предусматривался жидкий водород, который давал необходимую температуру в результате химической реакции.
Однако, в 1974 году у Гурко возникла новая техническая идея, позволяющая существенно снизить расход топлива за счет размещения в воздушном тракте теплообменника, нагревающего воздух теплом от бортового ядерного реактора. Благодаря такому техническому решению появилась возможность в принципе даже полностью исключить расход топлива при полете в атмосфере и соответствующие выбросы в атмосферу продуктов сгорания, расходуя дефицитный водород только в безвоздушном пространстве.
В первой половине 1970-х годов МГ-19 рассматривался как серьезный конкурент разрабатываемой системе «Энергия-Буран», однако ввиду меньшей степени проработки и большей степени технического риски при реализации, а также из-за отсутствия зарубежного аналога, проект МГ-19 дальнейшего развития не получил. Кроме того, судя по сложившейся тогда ситуации (включая буквальное уничтожение Н-1 под чутким руководством академика Глушко), разработчики «Энергии-Бурана» предприняли тогда все усилия для того, чтобы полностью похоронить все возможные альтернативы своему детищу.
Тем не менее, проект МГ-19 в России до сих пор не рассекречен, и информация о нем и по сей день крайне скудна.
Единственное, что известно — «гурколёт» должен был иметь, согласно расчётам, собственную взлётную массу в 500 тонн и, за счёт уникальной конструкции энергетической установки (ЯРД) и использования в качестве реактивной массы атмосферного воздуха, мог бы выводить на орбиту просто-таки невообразивую массу полезной нагрузки по сравнению со своим собственным стартовым весом — 40 тонн (или же 8% от стартовой массы).
Самолётный взлёт и самолётная посадка делали его системой типа HTHL.
Однако, фрагментированность и неполнота информации о МГ-19 не позволяет оценить реальность просчитанных цифр ПН.
Так, в середине 1970-х годов и в СССР и в США закрылось окно для создания гигантских систем космических многоразовых самолётов — в результате чего все 1980-е, 1990-е и 2000-е годы прошли под знаком двух реализованных в железе систем космических многоразовых самолётных систем — американской «Спейс Шаттл» и советской «Энергия-Буран».
Однако, гигантов пытались сделать и в 1990-е.
4. X-33 и VentureStar.
Проект VentureStar был ещё более амбициозным, нежели предыдущий проект американского гиперзвукового ЛА — Х-30.
Он основывался на всё той же, наиболее зарекомендовавшей себя схеме VTHL — вертикального взлёта и горизонтальной посадки.
Всё остальное «хозяйство» космического самолёта должно было возвращаться на обычный аэродром уже по-самолётному, и в течение непродолжительного промежутка времени, без пересборки узлов и отладки, характерных для системы «Спейс Шаттл» — снова стартовать на орбиту.
В рамках реализации проекта VentureStar компания «Локхид-Мартин» начала реализацию программы испытаний прототипа, который получил кодовое название X-33.
Прототип должен был весить всего лишь 131 тонну и мог бы продемонстрировать успешность технологии, на использовании которой и была построена вся идея VentureStar — клиновоздушного ракетного двигателя.
Прототип Х-33 должен был продемонстрировать разгон на данных двигателях в земной атмосфере до скорости в 15М и совершить ряд суборбитальных полётов до высот в 50-70 километров.
Сам двигатель XRS-2200 прототипа Х-33 был успешно испытан и показал свою работоспособность.
Двигатель работал на жидком водороде и жидком кислороде, имея тягу в 92 тонны на уровне моря и 120 тонн в вакууме.
Всего на протяжении 1990-х годов на программу Х-33, испытания двигателей и проработку концепции VentureStar было потрачено более 1,2 млрд. долларов США.
Кроме натурного испытания уникального двигателя, в рамках программы Х-33 был построен целый испытательный полигон на авиабазе Эдвардс, а в компнии «Локхид-Мартин» производились испытания элементов конструкции, теплозащиты и даже была построена полноразмерная модель топливного бака.
Однако, система VentureStar так и не получила в итоге обещанного финансирования НАСА, а проект Х-33 был закрыт в 2001 году, хотя по всем расчётам VentureStar могла бы обеспечивать стоимость доставки полезного груза всего лишь за 1/10 часть от удельных расходов системы «Спейс Шаттл».
И, судя по всему — в третий раз гигантские космические самолёты мы увидим ещё очень нескоро....
или создать PDF
0 comments :
Отправить комментарий
Для того, чтобы ответить кому-либо, нажимайте кнопку под автором "Ответить". Дополнительные команды для комментария смотрите наведя мышку на надпись внизу формы комментариев "Теги, допустимые в комментариях".
Тэги, допустимые в комментариях