Дерзкий рывок Европы в космос: гиперреактивный космоплан Skylon
Ракеты-носители Европейского космического агентства (ESA) не настолько знамениты, как российские «Союзы» или РН от американских NASA и SpaceX. Хотя именно на европейской Ariane 5 будут запускать самый дорой космический телескоп имени Джеймса Уэбба. Есть у ESA и наполеоновские планы — создать космоплан Skylon на прямоточном гиперреактивном двигателе уже к 2030 году. Чем он замечателен, какие сложности преодолевают его создатели, и почему не были реализованы аналогичные по концепции проекты — американский Rockwell X-30 и советский Ту-2000?
В презентации на заседании британского фонда по науке и технологиям 15 сентября генеральный директор ESA Йозеф Ашбахер (Josef Aschbacher) отметил продолжение работ по проекту европейского космоплана Skylon. Он будет оснащен гиперреактивным двигателем SABRE британской компании Reaction Engines. Предполагается начать его использование в беспилотном режиме после 2030 г. для вывода спутников на низкую околоземную орбиту с космодрома в Куру во Французской Гвиане.
Один из вариантов дизайна космоплана Skylon с двигателями SABRE. Источник: ESA
Космоплан Skylon будет взлетать и садиться горизонтально с взлётной полосы длиной 5,5 км. При полном взлётном весе в 325 т, длине в 84 м и размахе крыльев 26,8 м, он будет способен выводить полезную нагрузку весом до 15 т на низкую околоземную орбиту высотой 300 км в грузовом отсеке размерами 13х4,8 м. А это, на минуточку, почти что масса модуля «Транквилити» для МКС (15,5 т). Да, МКС находится выше (408 км), но тем не менее.
Достичь космоса, взлетев с космодрома, Skylon позволит гибридный прямоточный воздушно-реактивный двигатель SABRE (The Synergetic Air-Breathing Rocket Engine) тягой 2000 кН (тяга, сравнимая с двигателем РД-191 для РН «Ангара»). По расчетам, он позволит достичь гиперзвуковой скорости в 5 Махов (1 Мах — скорость звука, примерно 1200 км/ч) в атмосфере Земли, используя набегающий потока воздуха в качестве окислителя для сжигания топлива (жидкий водород, LH2). Такой подход позволит существенно сэкономить по сравнению с ракетами: можно взять с собой меньше окислителя.
На высоте 25 км воздухозаборник закрывается и включается стандартный ракетный двигатель с собственными запасами окислителя и топлива (пара жидкий кислород и жидкий водород) для выхода на орбиту. ESA разрабатывает двухступенчатый вариант космоплана Skylon: вторая ступень отделяется на высоте 150 км и выводит полезную нагрузку на орбиту, а первая ступень, сам космоплан, возвращается на аэродром базирования.
SABRE: двухконтурный двигатель для космоплана
Задача создания гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ГПРВД) является крайне сложной, Reaction Engines начала ею заниматься ещё с конца 1980-х. После закрытия аналогичного британского проекта HOTOL (Horizontal Take-Off and Landing, горизонтальный взлёт и посадка) консорциума Rolls-Royce и British Aerospace, три ведущих разработчика проекта не потеряли веру в идею и основали частную компанию. Сегодня разработки Reaction Engines поддерживают не только Rolls-Royce и British Aerospace, но также Boeing и BAE Systems. А в 2010 г. к проекту присоединилось и ESA с UK Space Agency.
Основная сложность была с мгновенным охлаждением набегающего потока воздуха на гиперзвуковой скорости. Но в последнее время здесь наметился некоторый прогресс, — в 2019 г. Reaction Engines впервые продемонстрировала успешную работу кольцевого предварительного охладителя на скорости в 5 Махов. Устройство из тончайших трубок из никель-хромового жаропрочного сплава с циркулирующим по ним гелием охлаждало набегающий поток воздуха с более чем + 1000 °C до - 150°C всего за 0,05 с. Криогенная температура необходима для сжижения кислорода и смешения с жидким водородом в камере сгорания.
Общая схема гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя SABRE. Источник: Reaction Engines
В 2021 г. компания начала работу над следующим этапом — наземные демонстрационные испытания «сердечника» двигателя, который преобразует тепловую энергию, генерируемую предварительным охладителем, в работу внутренних компонентов ракетного двигателя (воздушный турбокомпрессор, топливные насосы, турбина).
Несмотря на первые успехи, для испытания в сборке всего ГПРВД SABRE предстоит решить ещё множество технических задач. Далее планируется создание уменьшенной копии космоплана/технологического демонстратора (длиной 20-25 м и массой от 5 до 12 т), и только после успешных испытаний придет очередь строить полноразмерную систему. Возможно, к 2030 г. всё и не успеть.
Предварительный охладитель воздушного потока. Источник: Reaction Engines
Британским разработчикам двигателя SABRE нужно отдать должное, — они настойчиво продолжают разработки концепции гиперреактивного двигателя для одноступенчатого орбитального самолёта горизонтального взлёта и посадки. Несмотря на то, что оба аналогичных по замыслу международного проекта, возникших в конце 1980-х гг., из-за их высокой стоимости так и не увидели практического воплощения. Но об этом стоит рассказать подробнее.
Битва космопланов: последний эпизод космической гонки Холодной войны
Британский проект HOTOL возник в начале 1982 г. на пике мирового интереса к многоразовым космическим транспортным системам, — ещё до аварии шаттла «Челенджер» (28 января 1986 года) и во время максимальной активности по советскому проекту «Энергия—Буран». British Aerospace ставила задачу разработать транспортную систему со стоимостью выведения грузов на 20% ниже, чем у Space Shuttle. Работы начались, но после нескольких лет аудиторы вынесли безоговорочное решение, — создание HOTOL ввиду его новизны потребует 20 лет и обойдётся в баснословные по тем временам £5 млрд. После выхода из проекта Rolls-Royce, посчитавшего, что овчинка не стоит выделки, и выбора Европейским космическим агентством вместо участия в HOTOL разработки традиционного РН (будущего Ariane 5), проект закрыли. А три ключевых разработчика основали частную компанию Reaction Engines.
Концепт космоплана HOTOL от British Aerospace
Однако HOTOL в 1980-е гг. не был единственным проектом класса Airbreathing SSTO (single-stage-to-orbit) — одноступенчатого орбитального самолёта на основе прямоточного гиперзвукового двигателя, где набегающий поток воздуха используется в качестве окислителя (hypersonic air-breathing или supersonic-combustion ramjet, он же ГПРВД). К классу Airbreathing SSTO или одноступенчатых многоразовых воздушно-космических самолетов (МВКС) можно отнести американский проект Rockwell X-30 и советский Ту-2000, — двух представителей последнего этапа космической гонки эпохи Холодной войны.
Rockwell X-30
Rockwell X-30 был технологическим демонстратором в рамках масштабной государственной программы NASP (National Aero-Space Plane), осуществляемой NASA и Пентагоном в 1986—1993 гг. Предполагалось, что в пассажирском варианте NASP сможет совершать гиперзвуковые полёты на трансконтинентальные расстояния, к примеру, из Вашингтона в Токио за пару часов. Rockwell X-30 как демонстратор концепции предполагал меньшие размеры (48,7х22,5 м при взлётной массе 136 т) и возможности, а экипаж должен был состоять всего из 2 человек.
Для X-30 проектировался прямоточный воздушно-реактивный двигатель, использующий в качестве окислителя набегающий поток воздуха, это позволяло снизить общий вес и размеры космоплана. Топливом служила гибридная смесь жидкого и твердого водорода (slush hydrogen, шугообразный или переохлаждённый водород). В теории он позволял разогнаться до 8 Махов, при таких скоростях температура поверхности космоплана в отдельных местах могла достигать 1650 °C, для чего были разработаны композиты на основе титановой матрицы. До закрытия программы разработчики успели протестировать криогенный водородный бак, интегрированный в фюзеляж X-30 на механические нагрузки и работу с температурой до 820 °C.
X-30 выходит на орбиту, рисунок 1990 года. Источник: NASA
В рамках программы был проведён большой объём работ по гиперзвуковым двигателям, дизайну и новым конструкционным материалам, но создать полноразмерный прототип X-30 до закрытия программы NASP так и не успели. До наших дней сохранился лишь масштабный макет (1/3) для аэродинамических испытаний. Изначально предполагалось сделать X-30 беспилотным, но из-за изменений требований Пентагона (два члена экипажа + полезная нагрузка) космоплан становился всё тяжелее и дороже. Плюс NASA столкнулось с рядом существенных технических проблем, к созданию ГПРВД приступить не успели, поэтому ввиду урезания бюджета проект в 1993 г. закрыли.
Но работы по самим ГПРВД в США не прекратились. Они продолжились, пусть и в меньшем масштабе, в виде проекта X-43 Hyper-X/X-43A. Фактически, это лишь сам летающий скрамджет (интегрированная конструкция двигателя и фюзеляжа). Из-за того, что ГПРВД начинает эффективно работать лишь при достижении скоростей 2-3 Маха, в качестве первой ступени для разгона использовалась ракета Pegasus, запускаемая с борта Boeing B-52. Было проведено 3 пуска X-43A, два из них успешных, в последнем из них в ноябре 2004 г. прототип достиг скорости 9,64 Маха (10 240 км/ч) на высоте 33 км. Следующим этапом отработки ГПРВД стал проект USAF Boeing X-51/WaveRider, первый пуск которого состоялся в марте 2006 г. Работы по ГПРВД в США продолжаются и сейчас, но ими занимаются уже военные, — всего пару дней Raytheon Technologies провёл успешное испытание ракеты на ГПРВД по проекту HAWC (Hypersonic Air-breathing Weapon Concept) для DARPA и ВВС США.
Масштабный макет Rockwell X-30 (1/3 исходных размеров) для проведения аэродинамических испытаний, сейчас экспонат музея космического центра в Хантсвилле (Алабама, США). Источник: Wikimedia/Theduder3210
Ту-2000
Работы по отечественному проекту орбитального космоплана Ту-2000 класса Airbreathing SSTO/МВКС с ГПРВД начались в 1986 г. как советский ответ американскому Rockwell X-30. Одноступенчатый орбитальный самолёт на основе прямоточного гиперзвукового двигателя должен был иметь массу 260-350 т при размерах 71,4х34,1 м, и выводить полезную нагрузку в 6-10 т на НОО 200-400 км (возвращение 4-8 т с орбиты). Экипаж должен был состоять из 2 человек. Взлетать и садиться МВКС должен был со стандартных ВВП длиной 3 км.
Разработчики Ту-2000 не стали разрабатывать гибридный двухконтурный ГПРВД по типу британского SABRE, а предполагали использовать интегрированную силовую установку, состоящую одновременно из трёх типов двигателей для различных этапов полёта. 4 турбореактивных двигателя для начального этапа атмосферного участка (до 2-3 Махов), 1 ГПРВД/скрамджет для основного полёта на гиперзвуке, и 2 ракетных (пара жидкий кислород и жидкий водород) для космического участка и маневрирования на орбите. Такой набор различных специализированных двигателей было интегрировать проще, и делало систему универсальной. С возможностью выполнения многократных орбитальных манёвров, смены аэродромов базирования, совершения автономных орбитальных полётов продолжительностью до суток, крейсерского полёта в атмосфере с гиперзвуковыми скоростями и т. д.
К моменту распада СССР работы по созданию прототипа МВКС были в самом разгаре. Были изготовлены многие конструктивные элементы технологического демонстратора Ту-2000А, МВКС 1 этапа (взлётная масса 70-90 т, размеры 60х14 м): кессон крыла из никелевого сплава, часть фюзеляжа, криогенные топливные баки и композитные топливопроводы. Для сравнения, — американский прототип X-30 застрял на этапе создания секции фюзеляжа из титанового сплава. Предполагалось, что Ту-2000 должен был быть достроен к 2000 г., однако обстоятельства распорядились иначе. При 20 пусках в год стоимость каждого оценивалась в $13,6 млн. В ценах 1995 г. стоимость постройки одного Ту-2000 составляла $450 млн, но общая стоимости ОКР превышала $5,29 млрд. Естественно, таких денег в новой России не было, — проект был закрыт, рассекречен, а его макет впервые показан на Мосаэрошоу-92.
Параллельно в Советском Союзе с середины 1980-х гг. шли работы и над самим ГПРВД, но первый полёт гиперзвуковой летающей лаборатории (ГЛЛ «Холод») с двигателем Э-57 совместной разработки ЦИАМ и КБ «Факел» состоялся лишь в конце 1991 г. До 1999 г. успели провести семь испытательных пусков ГЛЛ «Холод», достигнув максимальной скорости в ~6,5 Маха (6678 км/ч) и времени работы ГПРВД в 77 с. Работы продолжились в рамках проекта ГЛЛ ИГЛА (Исследовательский Гиперзвуковой Летательный Аппарат), макет которого был впервые показан на МАКС-99 (полёт на скоростях 6-14 Маха от 7 до 12 мин, разгон с помощью РН «Рокот»). В начале 2000-х гг. этот проект закрыли, информации по продолжению работ в направлении ГПРВД в настоящее время в открытом доступе нет, но вполне возможно, что они продолжаются российскими военными.
Предполагаемый внешний вид космоплана Ту-2000. Источник: Alex Panchenko & NASA
Есть ли будущее у концепции Airbreathing SSTO и проекта ESA Skylon?
Далеко не все эксперты верят в успех европейского проекта SABRE/Skylon, отмечая, что подтверждение технических возможностей реализации концепции ГПРВД ещё не означает создание космоплана Skylon, а самое главное, его конкурентоспособность на мировом рынке пусковых услуг. Очевидно, они имеют в виду кратно более высокую стоимость на практике запусков Space Shuttle, а также крайне высокую стоимость разработки таких систем. Оба аналогичных проекта одноступенчатых космопланов с ГПРВД — и американского Rockwell X-30, и нашего отечественного Ту-2000, — были прекращены в начале 1990-х гг. в основном именно из-за недостатка финансирования.
Так, вся программа ESA Skylon оценивается в $12,3 млрд при стоимости запуска в $9,5—132 млн (70 и 5 пусках в год соответственно). Для сравнения, — стоимость разработки новой РН Ariane 6 составляет $4,23 млрд (да, во много она создаётся с опорой на наработки Ariane 5, но тем не менее) при стоимости запуска $75—115 млн.
Тем не менее, в случае успешной реализации проекта Skylon и создания работающих ГПРВД SABRE, это станет настоящим прорывом в средствах выведения, сравнимым со Space Shuttle для своего времени. Не зря работы по самим ГПРВД продолжаются в США (X-51, HAWC) и Китае (Jia Geng No. 1), сильный задел накоплен и в России. Понятно, что они связаны, прежде всего, с отработкой технологий гиперзвукового оружия. Но при их создании решаются те же материаловедческие, аэротермодинамические и двигателестроительные задачи, что и для перспективных проектов SSTO/МВКС. Поэтому пожелаем европейским создателям удачи!