Шаттл завтрашнего дня: В космос на одной ступени
Работу над проектом Skylon ведет британская компания Reaction Engines Limited — по замыслу, это должен быть одноступенчатый реактивный многоразовый космический челнок. У задумки много важных и интересных преимуществ: так, по заявлению авторов, корабль сможет стартовать прямо с обычной взлетной полосы и подниматься на 26 км вверх, достигая скорости 5,5 Маха — и только после этого будет переключаться в «режим ракеты», достигая космоса.
Шаттл сможет вывести на орбиту 12 тонн груза в контейнере — или его можно оборудовать для космического туризма, отправляя в полет сразу по 60 пассажиров. Весь аппарат Skylon должен быть достаточно легким, а при обратном входе в атмосферу его корпус защитит керамическое покрытие. По проекту, каждый такой корабль можно будет использовать повторно не менее 200 раз. По возвращении пару дней потребуется на проверку и мелкий ремонт — и через пару дней Skylon будет снова готов к свершениям.
Изначально, когда разработчики только приступали к этому перспективному проекту, массы необходимых для его реализации технологий попросту не существовало, однако к настоящему моменту положение коренным образом изменилось. И несмотря на то, что до сих пор ни один инвестор не выделил достаточно средств для окончательной доработки и изготовления Skylon, работа по проекту продолжается. Взглянем же на него подробнее.
Сегодня любые орбитальные корабли используют несколько ступеней, которые отбрасываются по мере подъема над Землей, набора скорости и отработки топлива. Это довольно эффективное решение, ведь, приближаясь к орбите, аппарат отстреливает ступени и становится все легче. Такой аргумент нередко приводят и те специалисты, которые являются ярыми противниками противоположной (пока нереализованной) концепции — использовании одноступенчатого корабля. С другой стороны, сторонники этой идеи отмечают, что терять при каждом запуске огромные, с трудом изготовленные и дорогостоящие ступени — непозволительная роскошь для человечества, если только оно намерено сделать космические полеты действительно доступными.
На этой основе и создается проект аппарата Skylon, который должен взлетать, выходить на низкую околоземную орбиту, возвращаться в атмосферу и совершать посадку на манер обычного самолета, без каких-либо дополнительных ступеней. Авторы проекта обещают, что при этом он будет не только многоразовым, но и много более грузоподъемным, чем все многоступенчатые конкуренты.
Конечно, важным элементом Skylon являются турбореактивные двигатели SABRE — именно они подымают корабль в воздух и придают ему начальную скорость до 5,5 Маха (6,1 тыс. км/ч), выводя на высоту до 26 км. Здесь они переходят в другой режим работы, «ракетный».
Суть в том, что для работы двигателю нужно сгорание, а для сгорания нужен окислитель. В обычных двигателях используется кислород из воздуха, но для некоторых ракетных этого недостаточно, и они сами несут на себе запас сжиженного кислорода, который и составляет основную массу первых ступеней современных ракет-носителей. Есть и еще одна проблема: на очень большой скорости (например, 5,5 Маха) использовать турбореактивные двигатели не так-то просто: поступающий воздух так раскаляет его детали, что они просто начинают плавиться. Различные методы преодолеть эту проблему обычно приводят к заметному утяжелению конструкции и/или снижению тяги.
Разработчики SABRE решили проблему: поступающий извне воздух охлаждается вторым компонентом топлива — жидким водородом. С помощью специально сконструированных инжекторов температура поступающей смеси сбивается до -130 градусов за сотые доли секунды. Она оказывается достаточно низкой для того, чтобы использовать в конструкции двигателя легкие сплавы, снижая его вес. Ну а на скоростях выше 5,5 Маха и этого охлаждения недостаточно, тогда двигатель SABRE закрывает воздухозаборники и работает так же, как обычный ракетный двигатель — на смеси жидкого кислорода и водорода, поступающих из топливных баков. Это позволяет использовать для подъема использовать примерно впятеро меньше топлива, и соответственно существенно снизить массу всего аппарата. Это, в свою очередь, снижает требования к мощности самого двигателя и дает возможность даже крылья, которые облегчают полет в пределах атмосферы.
Для того, чтобы Skylon смог подниматься прямо со взлетной полосы, требуются и новые технологии при изготовлении шасси. В них придется использовать особо прочные покрышки и тормозную систему с водным охлаждением: если понадобится срочно прекратить взлет, вода быстро нагреется и испарится, отбирая лишнее тепло с тормозных дисков. А если подъем пройдет успешно, она просто будет сброшена, чтобы снизить вес аппарата. По расчетам разработчиков, заходя на посадку, Skylon уже не будет нести топлива и станет достаточно легким, чтобы его тормоза вполне успешно могли обойтись без водяного охлаждения.
Использование легких материалов позволяет увеличить и общие размеры аппарата: планируется, что Skylon будет иметь аж 82 м в длину и 6,3 м в диаметре. Конструктивно фюзеляж будет решен в виде прочного каркаса, на который уже крепятся слои внешней обшивки и теплоизоляции.
Словом, проект сколь инновационный, столь и дорогостоящий, и сложный: работа над ним идет уже около 15-ти лет. И лишь недавно ESA объявило о выделении целевого финансирования — причем в масштабах отнюдь не впечатляющих — 1 млн евро. Осталось посмотреть, чем закончится эта эпопея.
А тем временем напомним об одном из величайших достижений советских конструкторов и ученых — создании опередившего свое время челнока «Буран». Читайте: «Советский шаттл».
По информации Aerospaceweb.Org и BBC News