Как сделать космолёт горизонтального взлёта и посадки без чудо-технологий

в 11:37, , рубрики: BFR, SSTO, Starship, космолет, космонавтика, космоплан, многоразовость, Научно-популярное, шаттл

image

Ещё на заре космонавтики человечество мечтало о простом и дешёвом доступе к орбите на космических самолётах. Под космическим самолётом я подразумеваю крылатый аппарат горизонтально взлёта и посадки, без воздушных стартов, вертикальных посадок и т.п. Причина проста — космолёты по умолчанию многоразовые и в теории требуют недорогого, по сравнению с ракетами, обслуживания. Также весомым аргументом в их пользу является наличие гигантских взлётно-посадочных полос по всему миру, в то время как для ракет нужно строить инфраструктуру с нуля. Но как только конструкторы пытались спроектировать космолёт на практике у них сразу же возникало множество трудноразрешимых проблем, сильно затрудняющих выполнение задачи.

И большой, и лёгкий, и прочный

Проблемы космолёта заключались в его одноступенчатой природе и противоречивых требованиях к самолёту и ракете, что приводило к следующим решениям:

  1. Нужно было использовать водородное топливо как самое высокоэнергетическое. Но у водорода есть множество недостатков, главный из которых крайне низкая плотность, приводящая к огромным и, соответственно, тяжелым топливным бакам, создающим большое сопротивление в плотных слоях атмосферы. Также из-за низкой температуры кипения жидкого водорода бакам необходима теплоизоляция, что ещё больше их утяжеляет. Плюс двигатели на водороде имеют меньшую тягу, чем керосиновые, что опять же добавляет вес.
  2. Конструкция должна быть максимально легкая, но в тоже время должна пережить повторный вход с орбитальной скорости, что требует или массивной теплозащиты или экзотических материалов. Но эти материалы (например сотовый инконель и алюминид титана) оказывались очень капризны в сравнении с алюминием и сталью, и привели к закрытию нескольких перспективных проектов.
  3. Требование горизонтального взлёта создавало множество проблем так как шасси должно выдерживать огромный вес полностью заправленного космолёта, а тормоза должны иметь возможность остановить эту махину при неполадках, что приводило к огромной паразитной массе, совершенно ненужной в полете на орбиту. Крылья также становились бесполезны в космосе, а если попытаться использовать их как дополнительные топливные баки то конструкцию придётся серьёзно усилить, что опять же означало лишнюю массу.

Эти три главные проблемы приводили к выводу о невозможности создания космолёта в сколько-нибудь обозримом будущем. Но есть ли доступное с нынешними технологиями решение?

image
Rockwell Star-raker должен был выводить 100 тонн на НОО при полной многоразовости, т.е. это вариант BFR 1970-ых!

Чтобы подняться выше, нужно подрезать крылья

Есть, и очень простое, по-сути тоже самое давно используют ракеты — двухступенчатость. Но как сделать космолёт двухступенчатым и сохранить полную многоразовость? Здесь нам помогут два очень старых проекта 50-ых годов, один из которых не имеет прямого отношения к космонавтике, а второй имеет самое непосредственное и даже испытывает ренессанс. Это сбрасываемые консоли крыла и вертолётный подхват.

image
Ранний концепт сверхзвукового бомбардировщика XB-70 Valkyrie

Идея сбрасываемых консолей крыла была впервые предложена в 1955 году при разработке сверхзвукового бомбардировщика XB-70 Valkyrie для достижения межконтинентального радиуса действия. Впоследствии улучшения в аэродинамике привели к отказу от этой идеи, но для нашего гипотетического космолёта она подходит идеально. Сбрасываемую консоль можно сделать топливным баком для керосина, как это делается во всех современных самолётах, а в обтекатель по центру поместить тяговитый керосиновый ракетный двигатель, тем самым снизив размер и массу заполненного водородом и кислородом фюзеляжа. Также она будет содержать массивную стойку шасси (и тормозные колодки) для поддержки собственного веса на взлётной полосе. После того как керосиновые двигатели выполнят свою роль первой ступени, большая часть консолей отделяется от фюзеляжа, ведь для посадки почти пустого космолёта не нужна большая площадь крыла и тяжелое шасси.

image
Обтекатель Falcon Heavy возвращается на Землю с гиперзвуковой скоростью

Но как вернуть консоли на землю? Не сгорят ли они при входе в атмосферу? Не сгорят и уцелеют они по той же причине, по которой термостойкий лист бумаги может пережить вход в атмосферу Земли с орбитальной скорости — пустое крыло имеет высокое аэродинамическое качество и соответственно более медленно и плавно тормозит. Таким образом им не нужна теплозащита и не нужно тащить её на орбиту и обратно.

Но как осуществить плавную посадку на поверхность? Здесь существует два варианта — в первом можно попытаться посадить консоли крыла на полосу по самолётному, но тогда придется добавлять много дополнительного оборудования да и аэродрома по пути может не быть. Во втором же случае использовать другую идею из 1950-ых (креативное было десятилетие!) — вертолётный подхват.

image
Концепция возвращение на Землю первой ступени РН Электрон с помощью вертолёта

Недостаток у этого подхода ровно один — плохая масштабируемость, вертолет может захватить груз весом примерно в половину от своей максимальной грузоподъёмности. То есть при использовании самого большого вертолёта Ми-26 вес пустой консоли вместе с двигателем и шасси не должен превышать 10 тонн, что кажется вполне осуществимо для космолёта взлётной массой не более 1000 тонн. Вертолётов понадобится две штуки, так как консолей тоже две, но это потребует относительно небольших расходов.

Таким образом, используя эти простые и отработанные решения, можно без всяких футуристичных технологий и невероятных двигателей осуществить давнюю мечту человечества — рутинный доступ к космическому пространству.

P.S. Данная статья не пытается критиковать другие подходы, такие как BFR-Starship, а предлагает разумную альтернативу именно для маршрута Земля-НОО, потому что на Луну и Марс естественно лучше садиться вертикально. Буду рад услышать ваше мнение в комментариях!

Автор: EmDrive

Источник