Полностью многоразовая аэрокосмическая система из существующих технологий

Слово “космонавтика” со времен Королева и Гагарина подразумевает огромные космодромы и одноразовые ракеты. Ну ладно, не всегда одноразовые — но даже многоразовые ракетные ступени Илона Маска каждый раз надо привезти, собрать в специальном цеху, установить на специальный стартовый стол, заправить, проверить — и только после этого запустить. Не удивительно, что космонавтика — очень дорогое удовольствие и массовое промышленное освоение ресурсов космоса даже сейчас кажется туманной перспективой далеко не ближайшего будущего.

Что же может заменить ракеты? Многоразовая аэрокосмическая система. Эта идея не нова: после появления самолета Ан-225 Мрия на его основе проектировалось множество аэрокосмических систем, о чем можно узнать из мемуаров Анатолия Вовнянко ^[1], участвовавшего в его создании. Самая интересная из них — МАКС-М:


Самым важным преимуществом данного варианта является полная многоразовость. В качестве первой ступени выступает самолет. Это исключает необходимость в специальном космодроме — им может стать любой аэродром, способный принять Ан-225. Сам самолет может в течение всего срока эксплуатации осуществить десятки тысяч запусков космопланов.

Космоплан, рассчитанный на использование с Ан-225, может весить до 275 тонн. По предварительным рассчетам ^[2], полностью многоразовый вариант может вывести на низкую околоземную орбиту от 5,5 тонн на широте 51° до 7 тонн на Экваторе. В случае неполной загрузки можно запускать космоплан недалеко от стартового аэродрома (например, на территории Украины или над Черным морем), а если нужно завезти на орбиту именно 7 тонн — самолет может прилететь на Экватор и произвести запуск уже там.

Разделение самолета и космоплана происходит на высоте 10 км и скорости 236 м/с (850 км/ч). Чтобы плавно отделить тяжелый космоплан, находящийся на спине самолета, нужно создать небольшую отрицательную перегрузку. Самолет для этого делает примерно такую “горку”:

и на ней космоплан отделяется. После чего самолет возвращается на аэродром, а космоплан, имея начальную скорость, начинает горизонтальный разгон. Именно горизонтальный: космоплан обладает аэродинамическим качеством и чем больше горизонтальная скорость в атмосфере — тем больше подъемная сила. К тому же, для выхода на орбиту надо развить именно горизонтальную скорость 8 км/с. Кинетическая энергия для скорости:

$$display$$E=mv^2/2$$display$$

Но на высоте 10 км на орбиту не выйдешь: мешает атмосфера. Для стабильной низкой орбиты надо набрать 200 км. Потенциальная энергия для высоты:

$$display$$E=mgh$$display$$

Оценим соотношение энергии горизонтального разгона и вертикального подъема:

$$display$$(mv^2/2)/(mgh)$$display$$

$$display$$v^2/(2gh)$$display$$

Если подставить числа, получим, что энергия для набора высоты 200 км примерно в 16 раз меньше, чем для набора горизонтальной скорости 8 км/с. Так что важнее всего именно горизонтальный разгон, при котором большую часть работы по подъему сделает аэродинамика.

На космоплан можно ставить обычные, давно отработанные и выпускаемые ракетной промышленностью, кислород-керосиновые ракетные двигатели. При этом тяга двигателей нужна в разы меньшая, чем в случае обычной ракеты вертикального взлета: гравитацию прямо преодолевать не нужно, космоплан обладает аэродинамическим качеством и его поддерживает в воздухе подъемная сила. Опять же, чем больше горизонтальная скорость (которую и так надо набирать) — тем сильнее атмосфера будет выталкивать космоплан в космос.

Оказавшись в космосе, космоплан оставляет на орбите контейнер с грузом. Дальше в космосе грузы лучше всего тащить орбитальными буксирами на электрореактивных установках с ядерным реактором ^[3]. При тяге порядка 1-2 Ньютона, годящейся только для ускорения в невесомости и космическом вакууме, они обеспечивают очень высокий удельный импульс. Если химический двигатель дает струю до 5 км/с, то электрореактивный ускоритель может разгонять ионы до 300 км/с ^[4] — то есть, в 60 раз эффективнее. Впрочем, что делать в самом космосе — тема для отдельной статьи, и не одной.

После выполнения задачи, космоплан сходит с орбиты и возвращается в атмосферу. Он уже пустой и сравнительно легкий, но по-прежнему обладает аэродинамическим качеством. Это означает, что сход с орбиты будет куда более плавным, чем баллистический спуск обычных спускаемых аппаратов. Космоплан при этом должен иметь специальную форму для более плавного спуска, чем у шаттлов и Бурана. Это уменьшит (если не устранит) нужду в теплозащите — и связанных с ней расходниках и обслуживании.

Сесть космоплан может на аэродроме, с которого будет его следующий полет в космос. Там же пройти техобслуживание и погрузку груза. После чего пустой космоплан (то есть, массой в пределах 100 тонн) погружают автокраном на спину Ан-225, заправляют вместе с самолетом — и в новый рейс. Теоретически, один Ан-225 может запускать по космоплану каждые 4-6 часов, а то и чаще. То есть, по 20-30 тонн на орбиту в сутки, и так каждый день. Когда космопланы начнут стабильно летать на орбиту каждые несколько часов, можно будет уже уверенно говорить о промышленном освоении космоса.

Такая частота запусков и такой интенсивный режим эксплуатации возможны только если полностью исключить одноразовые компоненты типа разгонных блоков или внешнего топливного бака. Также нужно минимизировать расходники, в идеале чтобы каждый раз расходовался только керосин и жидкий кислород. Описанная аэрокосмическая система использует те же аэродромы и даже тот же керосин, что и обычная авиация. Любой аэродром, способный принимать Ан-225, легко может стать космодромом. Есть и отличия от обычной авиации, но они хорошо укладываются в рамки аэродромной инфраструктуры: загрузка космоплана на Ан-225 автокраном, заправка жидким кислородом и техобслуживание космоплана в аэродромных ангарах, которое, опять же, не должно быть намного сложнее самолетного.

Самолет Ан-225 уже 30 лет существует в летающем экземпляре. Кроме того, есть еще один недостроенный экземпляр ^[5], который можно достроить специально для нужд аэрокосмической программы. Готового космоплана пока нет — и это даже хорошо, так как позволит спроектировать с нуля новую конструкцию, максимально оптимизированную под воздушный старт с самолета-носителя и интенсивную эксплуатацию с минимумом расходников и обслуживания. Большинство необходимых для такой аэрокосмической программы компонентов можно производить в пределах Украины.

Кроме полетов в космос, открывается еще одна не менее заманчивая перспектива: суборбитальные авиалинии. После отработки технологии на орбитальных пусках, можно будет применить ее уже для сверхскоростных пассажирских и почтовых перевозок. Полет космоплана по суборбитальной траектории в любую точку мира займет по времени не больше часа. Хотите за час летать с Европы в Южную Америку или Австралию, испытывая невесомость?

На участке 1 космоплан разгоняется на своих двигателях до скорости, достаточной для выхода на суборбитальную траекторию. На участке 2 он летит через космос в невесомости, которую чувствуют пассажиры. На участке 3 происходит аэродинамическое торможение, после чего происходит посадка в целевом аэропорту.

Космоплан, совместимый с Ан-225, может вместить до 60 пассажиров при суборбитальном полете. Если удастся при этом добиться “самолетной” простоты эксплуатации аэрокосмической системы, билеты будут стоить ненамного дороже обычных самолетов: за 15 часов, вместо обычного дальнего полета с пассажирами, Ан-225 может успеть запустить несколько суборбитальных космопланов, суммарно везущих соизмеримое количество пассажиров. Вопрос лишь в скорости предстартовых операций, которую можно постепенно увеличивать (разумеется, не в ущерб безопасности). В точке назначения должен быть другой Ан-225, запускающий космопланы в обратный рейс.

Такая система будет легко разворачиваться и сворачиваться в любом аэропорту мира: достаточно на самом же Ан-225 завезти туда автокран для погрузки космоплана и портативное оборудование для сжижения кислорода, которым заправляют космоплан. Дорогая, сложная и долгая в постройке стационарная инфраструктура (как на космодромах для обычных ракет) не нужна.

Полностью многоразовая аэрокосмическая система может не только открыть эпоху промышленного освоения космоса, но и сделать возможными полеты в самую дальнюю точку Земли за час.

Автор: metaprog

Источник ^[6]