Время гигантов.

alex-anpilogov.livejournal.com 03.03.2015 15:57

(Правдинформ 21.09.2015)

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 ^[1], 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 ^[2], который в официальных бумагах также иногда именовался National Aerospaceplane.

Представление художника о внешнем виде Aerospaceplane-1.

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 ^[3]. 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 ^[4] 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.

Один из прототипов ГПВРД в аэродинамической трубе Аэрокосмического центра в Лэнгли.

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:

Концепт «Локхида». Концепт «Дугласа».

Концепт «Боинга» Концепт «Репаблик»

Концепт «Конвэйр»

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 ^[5] 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»

Заметьте, без использования Photoshop!
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.

Альтернативные модели «Сатурн-Шаттла».

В дальнейшем концепция «Сатурн-Шаттл» ^[6] 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» ^[7]:

Сравнительная масса и грузоподъёмность разрабатываемого «Спейс Шаттла», «Сатурн-V» и два варианта тяжёлых систем «Боинга». Большая из них должна была выводить 420 тонн на НОО.

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 ^[8].

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 ^[9] 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.

Полноразмерный космический самолёт ^[10] VenureStar должен был весить около 1000 тонн и должен был выводить на околоземную орбиту 22,5 тонны полезной нагрузки.
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.

Уменьшенный прототип VentureStar — суборбитальный самолёт Х-33.

В рамках реализации проекта VentureStar компания «Локхид-Мартин» начала реализацию программы испытаний прототипа, который получил кодовое название X-33 ^[11].
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 ^[12].
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....

Ссылки