100 ВЕРСТ ПО ВЕРТИКАЛИ + ВИДЕО

86      3653

 

Орбитальный самолет Skylon

Цена вопроса

 По едкому выражению миллиардера Элона Маска, создателя глобальной платежной системы PayPal, а ныне владельца первого в мире частного космического перевозчика компании SpaceX, любое вещество, попадающее на орбиту, автоматически превращается в золото.

И это не преувеличение. Судите сами: верхняя граница расценок на орбитальные грузоперевозки колеблется нынче на уровне 20 000 долларов за кг, а варианты дешевле 7 тысяч отсутствуют вовсе. Кроме того, каждый ракетный запуск косвенно субсидируется через различные правительственные программы, и реальная цена, по оценкам Маска, обычно превышает заявленную на 30 и более процентов. 

Причина сумасшедшей дороговизны проста: помимо самой услуги клиенту приходится оплачивать ракету-носитель вместе с закачанным в ее баки железнодорожным составом топлива. Это как если бы при покупке авиабилета, пассажирам предлагали скинуться еще и на сам лайнер! Но выбирать не приходится – все существующие ныне средства доставки являются одноразовыми. При этом, масса груза, который способны взять на борт орбитальные транспортные модули, невелика и не превышает 1.0 - 2% от стартовой массы ракеты. 

Так, например, беспилотный грузовик ATV, созданный инженерами Европейского космического агентства ESA, может забросить на МКС не более 7.6 т топлива, провианта, воды и оборудования. Но для этого ему требуется ракета Ariane-5 массой 777 т. Возможности российского «снабженца» Прогресс в тандеме со старой 320-тонной ракетой Союз-У и того ниже – всего 2.

67 т за «ходку».

По мнению эксперта NASA Стэна Старра, классическая ракетная техника, «выросшая» из старых военных проектов полувековой давности, в которых цена вопроса была второстепенным фактором, безнадежно устарела не только морально, но и технологически. Даже самые продвинутые ее образцы, включая проходящий завершающую стадию тестов космический супертяжеловоз Falcon Heavy компании SpaceX и уже летающую низкоорбитальную твердотопливную Vega ESA с композитным корпусом, не способны переломить ситуацию на рынке орбитальных перевозок. Расценки SpaceX, как ожидается, будут находиться в диапазоне 8000 – 14 500 долларов за кг в зависимости от высоты орбиты и страховой стоимости груза. Всего на тысячу дешевле обходится место в грузовом модуле бюджетной Vega. Для разовых вылазок в ближний космос и сохранения МКС «на плаву» это еще терпимо. Но для реализации планов NASA по освоению Солнечной системы цены нужно снижать на порядок. 

Cтэн Старр и его коллеги считают, что максимально допустимая себестоимость вывода на орбиту 1 кг груза не должна превышать 700 долларов, так как для обеспечения будущих  миссий на Луну и Марс инженерам придется сформировать на геостационарной орбите базу подскока - комплекс обитаемых терминалов с тысячами тонн горючего, инструментов, снаряжения, воды, продовольствия и лекарств. Ракеты для этой рутинной работы не годятся. И вот почему.

 

Первая миля

 

Как известно, плотность атмосферы снижается по мере удаления от поверхности и 50% ее массы сосредоточены в коридоре высот от 0 до 6 км, а 99% - до 30 км. Но если двигателям летательных аппаратов высокая плотность воздуха позволяет нормально «дышать», а их крыльям -  создавать подъемную силу, то с ракетами все наоборот. «Дышать» воздухом жидкостные и твердотопливные ракетные двигатели «не умеют». Они функционируют по принципу «все свое ношу с собой» – сгорание топливной смеси происходит в них в замкнутом режиме на бортовых запасах окислителя. Поэтому атмосфера им только мешает. Преодоление мощного аэродинамического сопротивления и максимальной гравитации на первых 30 км вертикального маршрута «съедает» около 70% запасов топлива. Остальные 30% расходуются уже в безвоздушном пространстве. 

Таким образом, самый трудный участок космического путешествия ракеты преодолевают с полными баками, и любая попытка поднять их грузоподъемность требует неизбежного кратного увеличения мощности ускорителя. Да и безопасностью у них большие проблемы. Процесс производства ракеты или грузового модуля занимает несколько месяцев, а на каждую сотню успешных запусков приходится, в среднем, две-три аварии. В огне подобных катастроф сгорают не только огромные деньги, но и годы напряженной работы тысяч людей. Это значит, что использовать их в качестве рабочих лошадок для непрерывного грузооборота с орбитой не получится в принципе. «Ракетный» космос - это сложно, дорого, уникально. И очень рискованно. К счастью, альтернатива ракетам есть.

Уже более 10 лет инженеры NASA работают над революционной системой доставки грузов на орбиту под названиемeLaunch Hypersonic Launch Vehicles (EHLV). Основными ее компонентами являются наземная электромагнитная катапульта длиной 3 км и многоразовый пилотируемый космический челнок с гиперзвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателем (ГПВРД), способный разгоняться до 12500 км/ч и выводить автономный грузовой модуль за пределы стратосферы. Катапульта мощностью 240 тысяч л.с., уменьшенным вариантом которой вскоре будут оснащаться авианосцы ВМФ США класса Gerald R. Ford, играет в данной схеме роль стартового ускорителя. За 60 секунд электромагнитная волна сможет разогнать легкий челнок до 1800 км/ч. При необходимости, разгонная платформа может быть оснащена дополнительными твердотопливными ракетными ускорителями. В момент отрыва от рельса в работу вступит турбореактивный двигатель, а на скорости 6150 км/ч (5 Махов) настанет черед ГПВРД. 

На высоте 65 км от челнока отделится грузовой модуль, и при помощи собственных компактных ракетных двигателей состыкуется с орбитальным терминалом. Пилот же отправится на Землю за новой порцией груза. Установка EHLV, если она будет построена, сможет производить до десятка подобных «выстрелов» в сутки. При этом цена доставки 1 кг на орбиту составит от 700 до 1000 долларов. Стэн Старр считает, что если в ближайшее время ученым удастся приручить непослушный ГПВРД, наземный стартовый комплекс EHLV сможет вступить в строй уже в 2020 году.

 

Дышите глубже

 

Энтузиазм Старра разделяют и военные. Ведь именно они контролируют разработку всех летательных аппаратов, работающих в сверхзвуковом и гиперзвуковом диапазоне. Летом 2011 года Стивен Уокер, заместитель главы ВВС США по научно-исследовательской работе, объявил о планах создания нескольких гиперзвуковых крылатых ракет на базе успешно испытанных весной 2010 года экспериментального гиперзвукового аппарата Falcon HTV-2 и прототипа ГПВРД производства Pratt & Whitney Rocketdyne. 

Boeing X-51 Waverider

Запущенный с бомбардировщика В-52 «зубилообразный» Boeing X-51 Waverider после предварительного ускорения на твердотопливном заряде смог разогнаться до 5 Махов и устойчиво проработал в режиме ГПВРД около 4 минут. Футуристический беспилотник Falcon HTV-2 корпорации Lockheed Martin перекрыл результат X-51 в 4 раза, показав скорость порядка 24 000 км/ч. Несмотря на то, что на завершающей стадии испытаний машина потеряла управление и исчезла с экранов радаров, эксперты расценивают полет Falcon, как серьезный технологический прорыв. Свой обнадеживающий гиперзвуковой проект SCRAMSPACE имеется и у австралийцев. В 2013 году летные испытания SCRAMSPACE пройдут на пустынном полигоне Уэмера. Фундаментальные исследования аэро- и термодинамики ГПВРД ведутся в университетах Германии, Италии и Японии. 

Нет сомнений, что массив накопленных данных позволит инженерам вплотную приблизиться к реализации управляемого гиперзвукового полета уже в ближайшее время. По прогнозам военных, при достаточном финансировании к 2016 году у них появятся многоразовые аппараты, способные работать на 4-6 Махах до 15 минут, а уже к 2020 – более получаса. Немного на первый взгляд. Но применительно к полетам по вертикали большего и не требуется, ведь даже на 5 Махах челнок покинет пределы стратосферы уже на второй минуте полета. А если учесть, что теоретический предел ГПВРД составляет 25 Махов или 30 740 км/ч, то в перспективе спурт до низкой опорной орбиты с 10-12 тоннами груза на борту можно будет сократить до десятка секунд! 

ГПВРД – совершенно особенный представитель семейства «дышащих» реактивных двигателей. Внешне примитивный, лишенный каких бы то ни было движущихся частей, и похожий на изогнутую трубу прямоугольного сечения, ГПВРД является базовой частью несущей структуры летательного аппарата и фактически диктует конструкторам его силуэт. Главным отличием ГПВРД от простого прямоточного двигателя является сверхзвуковая скорость сгорания топливной смеси. 

Благодаря особой геометрии его заборного сопла, поступающий в канал поток холодного воздуха не замедляется, а, наоборот – увеличивает свою скорость перед входом в зону сгорания на 10-20% из-за взрывного скачка температуры. Для предотвращения перегрева стенок канала используется топливо из бака, длинные молекулы которого при температуре свыше 1700°C переходят в сверхкритическое состояние и «дробятся» на более короткие. Это увеличивает давление на впрыске, и скорость сгорания смеси, а значит и скорость реактивной струи. Таким образом, гиперзвуковая машина фактически «нанизывает» себя на воздушный столб, разгоняясь все сильнее и сильнее. 

Но у ГПВРД имеются и существенные минусы. Он чрезвычайно чувствителен к качеству топлива, устойчивости и плотности воздушного потока. Кроме того, фронтальную часть титанового корпуса должна быть надежно защищена от теплового разрушения экраном из жаропрочной керамики и мощной системой охлаждения. И, наконец, самое главное - запуск ГПВРД возможен только «с толкача». Для сверхзвуковой продувки канала машину необходимо предварительно ускорить до 4000-4500 км/ч. Впрочем, разработчиков будущего гиперзвукового орбитального самолета NASA все это не пугает. Сейчас их основная задача – успеть выйти на рынок емкостью 150 млрд. долларов в год раньше своего конкурента – «дышащего» жидкостного ракетного двигателя SABRE, придуманного инженером Аланом Бондом еще 30 лет назад для нереализованного в итоге проекта HOTOL, британского конкурента для Бурана и Shuttle.

 

На орбиту без пересадки

 

HOTOL

Концепция гибридного ракетного двигателя была разработана и запатентована в 1982 году Аланом Бондом, 40-летним ракетчиком из Калхэмской лаборатории британского Управления по атомной энергии. Изобретение, по настоянию тогдашнего главного научного консультанта Минобороны Сэра Роберта Николсона, было мгновенно занесено в список стратегических, засекречено, и лицензировано компанией Rolls-Royce на условиях запуска двигателя в серийное производство. Основания для введения режима секретности были серьезными. Инновационный агрегат, получивший рабочее название «проект RB545» (и неофициальное – «Луженая глотка»), мог обеспечить Британии, не имевшей собственных ракетных стартовых комплексов, место в элитном клубе космических держав. Бонду удалось победить главный бич ракетной техники – необходимость тащить в небо огромное количество окислителя для горючего, забитого в громоздкие и технически сложные криогенные баки. 

На высотах до 30 км и скоростях до 5.5 Махов гибридный RB545 мог «дышать» внешним атмосферным воздухом, а покидая атмосферу, переключаться на сжигание бортовых запасов жидкого кислорода (окислителя) и жидкого водорода (горючего) в замкнутом цикле с ускорением до 25 Махов. Технология позволяла снизить взлетную массу будущей машины с 500 до 25о т, сохранив при этом полезную грузоподъемность в пределах 7-10 т даже на фоне потери трети мощности агрегата из-за низкого содержания кислорода в воздухе на больших высотах. 

Но самое главное, на ее основе можно было создать возвращаемый орбитальный самолет, не нуждающийся в отличие от Бурана и Shuttle в специальных сооружениях для вертикального старта и ракетах-носителях. Теоретически, революционная схема вывода людей и грузов на околоземную орбиту обещала британцам экономию в десятки миллиардов долларов. 

В 1984 году компания Rolls-Royce в кооперации с British Aerospace и Министерством обороны Великобритании начала разработку одноступенчатого многоразового аппарата горизонтального взлета и посадки HOTOL с двигателем Бонда. Но уже в 1985 военные решили свернуть свое присутствие в HOTOL, мотивируя это чрезмерной сложностью, дороговизной (10 миллиардов долларов) и длительностью проекта - по оценке МО, машина могла подняться в небо не ранее 2020 года. По сути, это означало закрытие проекта, так как необходимые инженерам вычислительные мощности и испытательные стенды контролировались оборонным ведомством. 

После этого демарша технический директор Rolls-Royce Гордон Льюис заявил, что его компания не собирается тащить HOTOL в одиночку и запросил разрешения правительства Тэтчер привлечь к работам американцев из Boeing и Rocketdyne, еще со временем программы Apollo обладавших уникальными технологиями в области прямоточных реактивных двигателей, авиационных композитов и жаропрочной керамики. Администрация Рейгана и представители Rocketdyne, в свою очередь, подтвердили готовность оказать техническую помощь на условиях полного доступа к информации по двигателю Бонда. Военным это не понравилось и, прикрываясь секретностью патента, они заблокировали сделку. 

Тем не менее, вялотекущие работы в рамках HOTOL, исключительно благодаря энтузиазму ученых, велись еще почти три года. Но в 1989 году, на фоне одобрения Европейским космическим агентством ESA проекта ракеты Ariane-5, которая в перспективе ближайших 20 лет полностью перекрывала потребности Старого Света по доставке грузов на орбиту, все участники проекта HOTOL прекратили его финансирование. Все, кроме самого Бонда и его единомышленников из Rolls-Royce Джона Скотта и Ричарда Уорвилла.

 

Луженая глотка

 

 

Они решили продолжить разработку RB545 на свой страх и риск, и в 1989 году основали компанию Reaction Engines. Деньги, необходимые для исследований нашлись на удивление быстро. Первым инвестором компании стал знаменитый коллекционер и реставратор авиатехники Джон Портелли. Кроме того, проект RB545, переименованный Бондом в SABRE (Synergic Air Breathing Engine), всерьез заинтересовал ученых из университетов Бристоля, Кента, Йорка, а также экспертов по металлургии, металлообработке и теплотехнике из нескольких британских компаний. 

Уникальный двигатель требовал не менее уникальных технологий, самой сложной из которых была и остается технология «холодного дыхания». Дело в том, что на гиперзвуке поступающий в чрево двигателя поток воздуха из-за большой площади контакта с раскаленной керамической поверхностью сопла-диффузора успевает нагреться от – 50 до + 1000°C за тысячные доли секунды. Но для нормальной работы SABRE требуется смесь полужидкого кислорода и азота с температурой -140 °C. Поэтому перед подачей на компрессор камеры сгорания воздух должен пройти через ступенчатый модульный теплообменник с циркулирующим под давлением 200 атм жидким гелием. Производительность этого узла должна быть поистине феноменальной: за 55 сек разгона с 0 до 5.5 Махов ему нужно успеть «переварить» и заморозить более 125 тонн воздуха – в 12 раз больше собственного веса. 

 

Сжатие густой воздушной смеси перед подачей в камеру сгорания в SABRE происходит также за счет теплообменника - перегретый гелий сбрасывает большую часть тепловой энергии на лопатках турбины компрессора, раскручивая ее до 60 тысяч оборотов в минуту. Остатки теплоты расходуются для прогрева готовой к впрыску порции жидкого водорода с температурой -250°C. 

По расчетам Бонда, для обеспечения нормальной тяги SABRE на уровне 200 тонн на «дышащем» отрезке полета площадь поверхности теплообменника должна составлять 6300 кв.м., что в полтора раза больше площади футбольного поля. Конструкция узла впечатляет не меньше его производительности: каждый из 80 модулей состоит из 64 тысяч бесшовных трубок диаметром 1 мм и с толщиной стенок всего 20 микрон (в 4 раза тоньше человеческого волоса)! В 1989 году ничего подобного промышленность не выпускала. Да и с материалом для производства прецизионного микропроката определиться было весьма непросто. 

От жаропрочной нержавеющей стали, сплавов титана, ванадия, молибдена и тантала инженеры вынуждены были отказаться, так как выяснилось, что все они страдают так называемым «раком металла» - водородной хрупкостью и при горячем контакте с водородом быстро растрескиваются. Поиски подходящего сплава затянулись на несколько лет, и только в 1998 году он был найден экспертами из компании Fine Tubes. Им оказался Inconel 718. Еще 10 лет понадобилось для разработки технологий изготовления и механической обработки тончайшей трубки, а также для создания методики электромагнитной вихревой дефектоскопии ее стенок. 

Упорство Бонда и его друзей, тянувших лямку исследований два десятилетия практически на общественных началах, было вознаграждено в начале 2009 года. Европейское космическое агентство ESA приняло решение о предоставлении Reaction Engines 2 млн. долларов для завершения исследований по SABRE. А в июне 2011 года консорциум потенциальных инвесторов, в число которых вошли ESA, правительство Великобритании, компании Rolls-Royce, Fine Tubes и ряд других членов, выделил Reaction Engines грант для проведения испытаний теплообменника. По их итогам будет принято решение о дальнейшем финансировании проекта в размере 325 млн. долларов, целью которого является создание и летные тесты двух рабочих прототипов двигателя к 2014 году. В случае успеха, до орбиты останется всего один шаг. И этот шаг, по всей видимости, предстоит сделать орбитальному самолету Skylon.

 

Счастливого полета!

 

Skylon, разработанный командой Бонда специально «под» SABRE, настолько неординарен, что о нем стоит рассказать подробно. Итак, Skylon - это 275-тонный беспилотный орбитальный грузопассажирский самолет, оснащенный двумя двигателями SABRE массой по 9.5 т каждый, разнесенными на 12.5 м от оси на законцовки крыльев. Фюзеляж машины является, по сути, огромным сигарообразным криогенным топливным баком с 12-метровым отсеком в центральной части для грузового контейнера или 30-местного пассажирского салона. 

В отличие от своих предшественников, советского Бурана и американского Shuttle, конструктивно Skylon напоминает «матрешку». Внутренний каркас массой 16 тонн в виде решетки Уоррена с треугольными элементами жесткости, выполнен из композитных материалов с карбоновым армированием. Благодаря применению новых технологий сращивания крупногабаритных деталей из композитов, которые были успешно обкатаны на лайнере Boeing 787 Dreamliner, силовая структура Skylon представляет собой невероятно прочный монолит. Для поддержания стабильной температуры алюминиевых стенок топливных баков снаружи каркас «запечатан» в несколько сотен слоев тончайшей металлизированной фольги. 

Внешний аэродинамический кожух необычного для летательных аппаратов угольно-черного цвета сделан из жаропрочной гофрированной стеклокерамики толщиной 0.5 мм, и крепится к каркасу в нескольких тысячах точек при помощи полужестких связей. Такое инженерное решение позволяет оболочке активно сжиматься и расширяться без растрескивания, компенсируя экстремальный перепад температур от -150 до +3000°C на гиперзвуке и при входе в плотные слои атмосферы. Кроме того, зазор между каркасом и кожухом позволяет разместить в наиболее уязвимых для нагрева зонах аппарата дефлекторы для принудительного обдува деталей жидким водородом. 



Skylon

Никакой особенной аэродромной инфраструктуры для Skylon не требуется. Он может взлетать с обычных полос длиной свыше 5.6 км, а в экстренных случаях - приземляться даже на ровную грунтовую площадку. Продвинутая авионика, изменяемый вектор тяги двигателей и рулевые поверхности оперения гарантируют выполнение взлетов и посадок при боковом ветре до 15 м/сек, а также надежную управляемость как в атмосфере, так и вне нее. В отличие от ракеты, при возникновении нештатной ситуации на борту, Skylon может вернуться на аэродром в активном планирующем полете даже из космоса. Ни пассажиры, ни чувствительный к перегрузкам багаж при этом не пострадают - разгон и торможение машины происходит настолько плавно, что максимальные перегрузки в любой фазе полета не превышают 3G. 

Все в порядке и с грузоподъемностью – будучи втрое легче ракеты-носителя Ariane-5, Skylon способен поднять на МКС на 5 т груза больше - 12 тонн против 7. И сделать это, как минимум, в 10 раз дешевле. Единственный серьезный недостаток этого революционного аппарата заключается в том, что он еще не построен. В 2014 году компания Reaction Engines обещает закончить подготовку техдокументации по Skylon, а в 2020 году - завершить процесс летных испытаний и начать серийную сборку машины в кооперации с Rolls-Royce. 

При стоимости проекта «под ключ» в 10 млрд. долларов Бонд намерен реализовать не менее 30 аппаратов первого поколения по цене 1 млрд. долларов за штуку с гарантией на 240 полетов. Ничего фантастического в этих планах нет. Примерно столько же стоила программа создания ракеты Ariane 5, а разработка широкофюзеляжного двухпалубного гиганта Airbus A380, продающегося за 350 млн. долларов, обошлась концерну EADS в полтора раза дороже. Многоразовый Skylon может обрушить рынок орбитальных перевозок беспрецедентно низкими ценами и сделать космос по-настоящему доступным. 

Так, например, разовый вывод на орбиту коммерческих спутников связи обойдется заказчикам от 6 до 10 млн. долларов. Втрое дешевле смогут разместить на орбите свои научно-исследовательские спутники университеты и небольшие компании, а цена места в пассажирском модуле упадет с нынешних 200 до 100 тысяч долларов и ниже. Несомненно, предложение Reaction Engines будет интересным в первую очередь для туристических и транспортных компаний. Но вряд ли от него откажутся и государственные агентства.