Самолеты против ракет: почему космопланы пока уступают капсулам
Фанаты космоса, воспитанные на научной фантастике, уже давно говорят о противостоянии крылатых космических кораблей и бескрылых полубаллистических аппаратов. Это противостояние часто называют «космоплан против капсулы». И на сегодняшний день капсулы, похоже, одержали уверенную победу. В ушедшем году на орбиту с людьми впервые отправился новый пилотируемый корабль именно капсульного типа - Starliner. И несмотря на все его проблемы, "Звездный лайнер" наряду с куда более востребованными "Драконом", "Союзом" и "Волшебной ладьей" обеспечивают капсулам 100-процентное доминирование. Окончательно ли ушли в прошлое космические самолеты? Или новые разработки еще могут обеспечить им светлое будущее?
На крыльях на Марс и далее
С 1950-х многие ожидали, что к концу XX - началу XXI века регулярные полёты в космос будут осуществляться на космических самолётах (космопланах), подобных тому, что показан в фильме Стэнли Кубрика «2001: Космическая одиссея». Кинематографическая концепция 1968 года, созданная Гарри Лангом и получившая название Orion III — титановый космоплан с треугольным крылом двойной стреловидности — казался идеальным средством полета в космос в будущем. Он стал символом для многих авиакосмических инженеров и специалистов, которые строили планы на будущее для космических агентств.
Многие ожидали, что ракетоплан на 30 пассажиров, стартующий с рельсового пути и основанный на крылатой концепции из романа Артура Кларка «Прелюдия к космосу» (1947 год), станет частью новой эры многоразовых космических аппаратов, которые откроют недорогой доступ к околоземной орбите и в конечном итоге позволят создать поселения людей на Луне, Марсе и далее.
В конце 1960-х мир с нетерпением ждал коммерческих космопланов с логотипами «Pan American» на фюзеляже, как раз, когда Boeing 747 обеспечил массовые авиаперевозки по доступным ценам. И это были не просто мечты. Уже через пару десятилетий две сверхдержавы создали крылатые космические корабли - Space Shuttle (США) и «Буран» (СССР), первые старты которых состоялись в 1981 и 1988 годах соответственно. Оба космоплана использовали для старта одноразовые или частично многоразовые ракеты-носители.
Но золотой век космопланов продлился недолго. Совершив лишь один беспилотный автоматический полет и посадку, «Буран» был заброшен в 1993 году после распада Советского Союза. Россия сделала ставку на проверенные временем капсулы, и они выиграли конкуренцию с американскими челноками.
Space Shuttle выполнил 135 полетов, два из которых привели к гибели экипажа, и был выведен из эксплуатации в 2011 году. Несмотря на выдающиеся возможности в качестве средства доставки спутников и космических зондов, аппарата для обслуживания телескопа Хаббла и сборщика МКС, гибели экипажей и кораблей Challenger в 1986 году и Columbia в 2003 году показали невысокую эксплуатационную стабильность и низкий уровень безопасности крылатой космической системы.
Победа капсул "из 1960-х"
После надежд, возлагавшихся на космопланы в первые десятилетия Космической эры, реальность оказалась совсем другой: сейчас людей на орбиту доставляют конусообразные полубаллистические капсулы в стиле 1960-х. Точных посадок спускаемых аппаратов на взлетно-посадочные полосы нет, для приземления используются парашюты - такие же, как те, что еще 50-60 лет назад служили кораблям «Восток», «Восход», «Союз», Mercury, Gemini и Apollo.
Если избранный президент США Дональд Трамп не закроет программу Artemis, то и полеты в дальний космос будет осуществлять полубаллистический корабль Orion, который бывший глава NASA Майкл Гриффин назвал «"Аполлоном" на стероидах».
Тем не менее, мечта о космических самолетах жива. И это больше, чем просто мечта. Пока речь идет о небольших по размерам экспериментальных образцах. Американский беспилотный космоплан X-37B с коротким крылом и несущим корпусом уже летает на околоземной орбите в интересах Космических сил США. Также американский космоплан Dream Chaser разрабатывается компанией SNC для доставки грузов (а возможно, и людей) на МКС в беспилотном режиме. Есть информация и о полетах китайского экспериментального космоплана - аналога X-37B.
Однако, перспективные космические корабли капсульного типа впечатляют гораздо больше. Прежде всего, речь о сверхтяжёлой ракетно-космической системе вертикального старта и посадки Starship/Super Heavy от компании Space X.
Азия также идет по капсульному пути освоения космоса. Индийская организация космических исследований (ISRO) для своих первых пилотируемых орбитальных операций разрабатывает трехместный космический корабль "Гаганьян", отдаленно напоминающий «Союз».
Будущая замена китайского «Шэньчжоу» представляет собой частично многоразовую капсулу. Новый китайский пилотируемый корабль для дальнего космоса придерживается концепции Orion/Starliner - частично многоразовой трехместной капсулы, с одноразовым носителем, парашютной системой снижения и надувными амортизаторами для мягкой посадки. Этот аппарат обеспечит доступ к китайской космической станции и позволит китайцам совершать полеты на Луну.
Россия тоже на стороне капсул. Пилотируемый транспортный корабль нового поколения (ПТК НП), который разрабатывается в качестве замены «Союза МС», будет представлять собой четырех-шестиместную частично многоразовую капсулу того же типа, но с парашютно-реактивной системой для увеличения точности посадки.
Эти конусообразные и колоколообразные космические аппараты являются относительно безопасным решением для доступа человека в космос. Они могут использовать ракетные двигатели для аварийного прекращения полета и выдерживают баллистический спуск.
Например, «Союз МС-10» пережил аварию своей ракеты-носителя в октябре 2018 года, а система аварийного спасения успешно вытащила из ракеты и мягко приземлила спускаемый аппарат с космонавтами.
Американский шаттл такой возможности не имел, хотя после потери «Челленджера» в 1986 году прорабатывались сложные схемы аварийного покидания корабля экипажем, которые, впрочем, не сработали бы при аварии на старте.
Итак, являются ли космопланы жизнеспособным и реалистичным средством для космических полетов? Некоторые проектанты считают, что эти аппараты способны обеспечить безопасность при использовании более простой и надежной системы тепловой защиты.
Две аварии шаттла произошли из-за отсутствия реально работающей системы аварийного спасения и повреждения теплозащиты льдом, отколовшимся от огромного бака с топливом при старте.
Безопасность и устойчивость при спуске в атмосфере является ключевым моментом эксплуатации крылатых аппаратов, таких как многоразовый ракетоплан SpaceShipTwo компании Virgin Galactic, предназначенный для суборбитальных полетов. Созданный на основе SpaceShipOne, победителя X-prize 2004 года, он изменяет аэродинамическую конфигурацию для стабилизации и снижения перегрузок при спуске в атмосфере. Поскольку работа системы зависит от надежности механизма изменения геометрии, Virgin Galactic рассматривает возможность предоставления парашютов для экипажа и пассажиров на случай чрезвычайных ситуаций.
Впрочем, и в суборбитальных полетах капсулы не хотят уступать "самолетам". Конкурентом Virgin является Blue Origin с многоразовой ракетной системой вертикального пуска и капсулой, приземляющейся на парашюте.
New Shepard предлагает опыт полета на ракете до высоты 100 км, ощущение кратковременной невесомости, парашютное снижение капсулы и отсутствие точной посадки на космодроме. Однако система имеет возможность аварийного прекращения полета и относительно простые эксплуатационные требования.
Космоплан без ракеты уже почти не фантастика
Многие разработчики космических кораблей заинтересованы, прежде всего, в повторном использовании космопланов и одноступенчатом выходе на орбиту - SSTO (Single Stage To Orbit).
Это должен быть космоплан без ракеты-носителя, именно как в фантастических фильмах.
Однако, современные технологии с трудом позволяют создать такое транспортное средство из-за малой полезной нагрузки и большого веса окислителя, запасаемого на борту. Поэтому для пилотируемых ракетно-космических систем с крыльями обычно требуется разделение на ступени. Тем не менее, проекты одноступенчатых космопланов разрабатываются, хотя затраты на их создание велики, как и технологические трудности, стоящие перед разработчиками.
Все попытки в США создать высокоскоростной Национальный воздушно-космический самолет (National Aerospace Plane) в проектах Rockwell X-30, Lockheed Martin X-33 и VentureStar были отклонены NASA в 2001 году из-за технических сложностей, проблем с конструкцией баков, двигателем, теплозащиты, расходов и масс.
Перспективным эксперты признавали британский проект космического самолета. Компания Reaction Engines вела разработку одноступенчатого космоплана Skylon для высокоскоростных межконтинентальных путешествий и автоматизированных орбитальных полетов. Фирма, основанная в 1989 году Аланом Бондом, ведущим инженером проекта межзвездного корабля Daedalus Британского межпланетного общества и другими инженерами, выполняла исследования комбинированного двигателя SABRE (Synergetic Air Breathing Rocket Engine), ключевого компонента космоплана Skylon.
Двигатель должен был работать на старте как воздушно-реактивный, а на гиперзвуковой скорости — как ракетный, используя жидкий водород и сгущенный из атмосферы кислород. В 2021 году компания успешно испытала регенеративную систему, способную быстро охлаждать входящий в двигатель воздух с температуры +1000°С до -150°С.
Проектанты полагали, что Skylon может стать переломным моментом в космических полетах, сразу вдвое сократив текущие затраты на ракеты-носители и постепенно снижая их еще больше в течение срока службы. Они хотели реализовать концепцию SSTO, поскольку для двигателя SABRE не нужен окислитель: двигатель использует кислород из воздуха.
В ходе испытаний в пятимаховых ударных аэродинамических трубах тестировались модели SABRE. Планировалось создание летательного аппарата-демонстратора. Предполагалось, что разработка полноразмерной системы потребует значительных затрат, превышающих 12 млрд фунтов стерлингов. Алан Бонд лаконично выражал привлекательность и революционный характер концепции двигателя SABRE: «Миру действительно нужен Skylon».
Однако в конце октября 2024 года Reaction Engines была вынуждена перейти под внешнее управление в рамках процедуры банкротства. Столкнувшись с финансовыми проблемами, компания не смогла привлечь инвестиции, необходимые для продолжения работ: переговоры с Фондом стратегического развития ОАЭ о выделении 20 млн фунтов стерлингов успехом не увенчались, и акционеры — BAE Systems и Rolls-Royce — отказались поддержать Reaction Engines. В результате компания была вынуждена остановить деятельность.
Но британцы не сдаются. Компания Bristol Spaceplanes, основанная ветераном авиации Дэвидом Эшфордом в 1991 году, продолжает изучать проекты суборбитальных космопланов и вести разработку крылатых космических аппаратов.
Эшфорд утверждает, что суборбитальный космический полет мог быть осуществлен еще в конце 1950-х на самолетах Saunders Roe SR.53 и Lockheed NF-104 Starfighter, оснащенных дополнительными ракетными двигателями.
По его мнению, с использованием дешевых готовых деталей и технологий той эпохи, вполне возможны суборбитальные туристические полеты на демонстрационном образце двухместного реактивного/ракетного космоплана Ascender, взлетающем горизонтально и развивающем скорость до 3 Махов.
Эшфорд считает, что инвестиции в его двухступенчатый вариант - ракетоплан Spacecab должны перейти в более крупную разработку Spacebus для полетов на околоземную орбиту. Однако он понимает, что для выхода на орбиту требуется в 25 раз больше энергии, чем для суборбитальных высот.
Создание SSTO, как его обычно понимают, не является целью Bristol Spaceplanes. Согласно подходу Эшфорда, самолет-носитель (нижняя ступень Spacecab) использует воздушно-реактивные двигатели Rolls-Royce Olympus для разгона до 2 Махов, а ракетные двигатели Armstrong Siddeley Stentor — для доведения скорости до 4 Махов. Ракетные двигатели Vinci верхней ступени доводят скорость орбитального аппарата до 27-28 Махов.
Суборбитальный демонстрационный образец Ascender для Spacecab использует два реактивных двигателя J-85 для разгона до 1,8 Маха, а после чего включается ракетный двигатель Bristol Siddeley BS 60S, разгоняющий аппарат до 3,2 Маха при крутом подъеме.
Идеи Эшфорда по проектированию космоплана привлекательны: Ascender будет входить в атмосферу на скорости 3,6 Маха и затормозится до дозвуковой скорости за одну минуту, в отличие от Space Shuttle, который входил в атмосферу на скорости 25 Маха и замедлялся за 20 минут. Поэтому тепловая нагрузка на Ascender при входе в атмосферу меньше, и требуется лишь тонкий слой изоляции на носу и передних кромках крыла.
В целом, можно заключить, что космопланы не ушли в прошлое. В долгосрочной перспективе они окажутся эффективнее капсул с парашютной посадкой, если будут соответствовать стандартам безопасности и надежности коммерческих авиалайнеров.
В любом случае противостояние капсулы-космопланы продолжается. Ответ капсул - полностью многоразовые системы с вертикальной посадкой на реактивных двигателях на платформы или даже захват аппарата башней обслуживания. Все это уже реализовано SpaceX в ходе испытания Starship. Верхняя ступень приземляется вертикально с высокой точностью на стартовый комплекс. Российским вариантом такой продвинутой капсулы является проект многоразовой одноступенчатой ракеты-носителя "Корона".
Самое популярное
