"Разбитые мечты и нарушенные обещания". Реально ли сейчас построить космоплан?

Еще недавно казалось, что концепция многоразового космического корабля умерла вместе со свертыванием программы НАСА "Спейс шаттл". Но идея космоплана и сейчас продолжает волновать и вдохновлять энтузиастов полетов в космос. Что в ней такого притягательного? И есть ли шанс на то, что мы увидим старты космопланов в XXI веке?

С тех пор, как в 1903 году в долине Китти Хок в штате Северная Каролина поднялся в воздух первый летательный аппарат с человеком на борту, мечта об устройстве, способном взлететь как обычный самолет и выйти на околоземную орбиту, не покидает человечество.

В 1968 году Стэнли Кубрик в фильме "Космическая одиссея 2001 года" показал нам, как может выглядеть такой космоплан, причем весьма реалистично (на то он и выдающийся режиссер). Тем, кто смотрел эту кинокартину, наверняка запомнились кадры большого космического корабля, элегантно маневрирующего в безвоздушном пространстве под вальс Штрауса "На прекрасном голубом Дунае" перед тем, как пристыковаться к громадной вращающейся космической станции.

С тех пор, несмотря на множество планов, прототипов и экспериментальных запусков, только два космоплана были по-настоящему введены в эксплуатацию — "Спейс шаттл" и совершенно секретный Boeing X-37B. Причем только маленький и беспилотный "Боинг" остается в строю.

Однако мечта об элегантных космопланах, взлетающих "по-самолетному", по-прежнему жива, даже если и амбиций в отношении их истинной роли поубавилось.

В сентябре 2020 года Китай, похоже, запустил-таки (в обстановке совершенной секретности) собственный космический корабль многоразового использования по типу упомянутого "Боинга", и сейчас у китайцев в разработке может быть до семи проектов пилотируемых и беспилотных космопланов.

Как ожидается, беспилотный транспортный челнок Европейского космического агентства (ESA) может быть запущен в 2023 году, а индийский миникосмоплан — чуть позже, но в этом же десятилетии.Мы по-прежнему полагаемся на ракеты с вертикальным стартом, когда надо отправить астронавтов в космос. А на Землю астронавты возвращаются в капсулах, висящих на парашютах. Почему же космопланы (за исключением челнока НАСА) так до сих пор и не взлетели?

Один из ответов на этот вопрос можно найти на испытательном полигоне в 2 900 км от долины Китти Хок — у подножия Скалистых гор в Колорадо. Объект был построен компанией Reaction Engines специально для испытаний "в горячем режиме" революционной технологии, на которой основана работа нового ракетного двигателя.

Испытания эти проводятся при поддержке американского правительственного агентства DARPA (Defence Advanced Research Projects Agency, Управление перспективных исследовательских проектов минобороны США).

Reaction Engines — британская аэрокосмическая компания, основанная в 1989 году инженерами Аланом Бондом, Ричардом Варвиллом и Джоном Скоттом после отмены британского проекта по разработке космоплана Hotol.

Компания ставит своей целью создание преемника Hotol — суперсовременного, элегантного многоразового корабля Skylon, стартующего с Земли, как самолет, и минующего ступень использования ракеты-носителя. Специально для него и разрабатывается новый двигатель.

Гиперзвуковой гибридный воздушно-реактивный/ракетный двигатель с предварительным охлаждением (Synergetic Air Breathing Rocket Engine, сокращенно — SABRE) — двигатель на водородном топливе, который может разогнать такой космоплан, как Skylon, с нуля до гиперзвуковых скоростей, используя кислород из земной атмосферы, а потом, когда летательный аппарат наберет достаточную скорость, отправить его в космос с помощью бортовых запасов жидкого кислорода и жидкого водорода — как обычная ракета.

Сегодня эту разработку поддерживают такие гиганты, как Boeing, British Aerospace и Rolls-Royce, а также аэрокосмические агентства Европы и Британии.

Что происходит в штате Колорадо за охранным ограждением

Модифицированный двигатель истребителя времен холодной войны используется для того, чтобы моделировать высокотемпературный воздушный поток, рождающийся на гиперзвуковых скоростях.

Сверхгорячий воздух прокачивается через легкое устройство в форме кольца, состоящее из тысяч тонкостенных трубочек, наполненных хладоносителем.

Цель этого предварительного радиатора — быстро избавиться от чрезмерного нагрева. В двигателе SABRE, как надеются его создатели, это предотвратит плавление внутренних компонентов и обеспечит его эффективную работу.

В начале 2019 года предварительный радиатор работал при температуре 420 градусов по Цельсию в условиях, моделирующих полет на скорости в 3,3 Маха (более чем в три раза выше скорости звука).

Но инженеры хотят достичь в Махах магического числа 5 — то есть скорости в более чем 6200 км в час. Это более чем в два раза выше, чем маршевая скорость "Конкорда", и на 50% выше, чем у стратегического сверхзвукового разведчика ВВС США Lockheed SR-71 Blackbirdt — самого быстрого в мире реактивного самолета.

При скорости, измеряемой числом Маха, равным 5, и высоте 20 км, SABRE прекращает засасывать воздух из атмосферы, закрывает свои воздухозаборники и начинает сжигать жидкий кислород, смешанный с водородным топливом, чтобы достичь скорости, измеряемой числом Маха, равным 25 — что позволит выйти на околоземную орбиту.

В октябре 2019 года число Маха, равное 5, было достигнуто. Предварительный радиатор резко охладил воздушный поток в машине с более чем 1000 градусов по Цельсию менее чем за 1/20 секунды.

Успех испытаний принес руководителю группы Хелен Уэббер престижную награду имени сэра Ральфа Робинса британского Королевского общества аэронавтики — и разнообразные награды остальным членам коллектива.

"Мы достигли того, чего раньше никто не делал, — говорит Уэббер. — Этот успех приближает нас еще на шаг к созданию SABRE и прокладывает дорогу к гиперзвуковым полетам".

Хотя нам придется подождать лет 10, пока начнутся экспериментальные полеты с этим двигателем, инновационная система охлаждения может быть применена гораздо раньше — в других сферах. Например, в электромобилях, где она поможет батареям заряжаться быстрее и служить дольше.

Как подчеркивает Кристофер Комс из Техасского университета в Сан-Антонио, "гораздо легче убедить инвесторов вкладывать в теплообменники реактивного истребителя, которые можно будет применять уже через пять лет, чем в Skylon, на создание которого уйдет 30 лет".

Интересно, что на сайте Reaction Engines непросто найти упоминание о проекте Skylon. "Это была лишь концепция, чтобы показать, как можно применить двигатель SABRE, — объясняет Оливер Нейлард, менеджер по расширению клиентской сети Reaction Engines. — Мы не разрабатываем аппарат, сейчас мы сосредоточены на двигателе. Но в то же время хотим быть уверенными в том, что параллельно развиваются и технологии, применяемые в создании космических кораблей".

С этой целью Reaction Engines сотрудничают с "различными интересными сторонами", которые способны построить космоплан. В 2020 году компания работала с ESA над более консервативной концепцией двухступенчатого аппарата, который планируется запустить в начале следующего десятилетия с космодрома во французской Гвиане.

Почему это так притягательно?

Концепция космоплана проста, однако разнообразие аппаратов, под нее подверстанных, может сбивать с толку. Нестрогое, расплывчатое определение того, что такое космоплан, позволяет, например, считать таковым и Boeing 747, с которого был запущен LauncherOne, аппарат компании Virgin Orbit, — потому что он не что иное, как эквивалент первой ступени космического корабля.

По словам Жана Девилля, работающего в Шэньчжэне автора китайского аэрокосмического блога и соавтора подкаста о китайских аэрокосмических технологиях, есть два типа "настоящих космопланов".

"Самая простая версия — когда космический корабль стартует в космос на традиционной ракете вертикального взлета — как "Спейс шаттл". Самая сложная — когда аппарат взлетает горизонтально, как самолет, и выходит на орбиту по прогрессирующей траектории".

Довольно легко увидеть преимущества космопланов. Уж очень притягательна идея полета с Земли на орбитальную станцию примерно так, как мы сейчас летаем из Нью-Йорка в Сан-Франциско.

Космопланы используют взлетную полосу, им не нужны дорогостоящие космодромы — поэтому они могут взлетать и приземляться более часто. И если вам необходимо вернуть на Землю искусственный спутник, то ваш единственный вариант — это космоплан и уж никак не капсула на парашюте.

Космопланы могут применяться для испытаний военной техники и, например, для того, чтобы перехватывать вражеские спутники.

Технологии космопланов заходят на территорию технологий гиперзвукового оружия и авиатехники. Поэтому компания Reaction Engines — член исследовательской программы по разработке гиперзвукового двигателя для самолетов, финансируемой британским министерством обороны.

Главные препятствия

К сожалению, космическая отрасль развивается не в ту сторону, в какую хотелось бы энтузиастам космопланов.

"Мы достигли гораздо большего прогресса в компьютерах, чем в ракетах", — говорит Дэвид Бербах из американского военно-морского колледжа в Род-Айленде.

"Автоматизация означает, что нам уже не нужно посылать так много людей в космос. Возможно, это прозвучит примитивно и даже недостойно, но всё, что нам сейчас нужно, — это ракеты".

Кроме того, в настоящее время нет особой потребности возвращения на Землю спутников, считают некоторые эксперты, поскольку они стали дешевле, более долговечными, да и, если честно, одноразовыми. Например, Starlink, глобальная спутниковая система, разворачиваемая компанией SpaceX, использует тысячи изготавливаемых серийно маленьких спутников.

Ну и, конечно, создание космоплана требует решения дорогостоящих технологических проблем. Необходимы прочнейшие и легкие материалы, без которых не обойтись при частых полетах в космос и возвращениях на Землю.

Есть и проблема сочетания двух или трех типов двигателей, необходимых на разных этапах полета. "И это, по-моему, одна из главных трудностей", — говорит Девилль.

"В конце концов, основное препятствие, стоящее перед проектами создания космопланов, состоит в том, что их разработка требует очень больших финансовых возможностей, — добавляет он. — Вот почему Европа, СССР, а потом и Россия отказались от этой концепции".

А тут еще и конкуренция. "У компании SpaceX репутация раздвигающей границы наших возможностей, но в то же время они убивают космоплан, — считает Комс. — Они достигли таких больших успехов в удешевлении полетов в космос, что мотивация инвестировать в дорогостоящие исследования создания космоплана слабеет на глазах".

Похоже, что только миллиардер может позволить себе траты, связанные с разработкой космического корабля многоразового использования.

Несбывшиеся надежды

Ну что ж, энтузиасты космопланов привыкли к разочарованиям и обманутым надеждам. Из истории мы знаем примеры того, как смелые и новаторские идеи так и не были воплощены в жизнь.

Россиянин Фридрих Цандер, один из пионеров ракетной техники, в 1911 году предложил использовать части конструкции межпланетного корабля, такие как крылья, пропеллеры и двигатель, как дополнительный запас топлива, в качестве горючего (после взлета, когда они перестанут быть нужны).

В 1930-х австрийский инженер Эйген Зенгер возглавлял проект "Серебряная птица" по созданию высотного частично-орбитального бомбардировщика-космолёта, с помощью которого можно было подвергать бомбардировкам американские территории, в частности — Нью-Йорк, и промышленные регионы СССР, в частности — Урал и Сибирь. К счастью, нацисты, снова рассматривавшие проект в конце Второй мировой, сочли его практически нереализуемым.

В 1950-х конструктор ракетно-космической техники Вернер фон Браун изложил свое видение "ракеты с крыльями" в журнале Collier's, и ВВС США отказались от изучения идей Зенгера. Работы над проектом Boeing X-20 Dyna-Soar (да-да, по-английски произносится как "динозавр") были свернуты в пользу программы "Джемини".

Предполагалось, что космолет "Джемини" отправится на орбиту на традиционной ракете, а приземлится на взлетную полосу, используя эффект параглайдинга. Но и от этого космоплана в итоге отказались.

Секретные советские проекты (например, МиГ-105) тоже ни к чему не привели.

Когда-то каждая космическая держава хотела иметь свой космоплан. В качестве ответа американскому шаттлу в Советском Союзе разработали "Буран", совершивший, впрочем, всего один полет в полностью автоматическом режиме, без космонавтов, в 1988 году.

Планы европейцев и японцев создать свой космоплан так и остались планами. Китай отказался от намерения построить собственный космоплан из-за того, что ракеты оказались более быстрым способом участвовать в космической гонке. В итоге "Китай отправил на орбиту своих первых тайконавтов в 2003 году, а не в 2020-м, как ранее планировалось", — отмечает Девилль.

Несмотря на неудовлетворительные эксплуатационные характеристики шаттлов, США не отказались от мечты иметь многоразовые космические аппараты. Но технические проблемы заставили свернуть разработку (уже на довольно продвинутом этапе) Lockheed Martin X-33 или Venture Star.

По слухам, некоторые другие секретные программы по-прежнему существуют, и из них, в частности, родился беспилотный Boeing X-37B. Предложение корпорации Boeing о создании большего, пилотируемого варианта было отвергнуто.

"Когда я был ребенком, я зачарованно смотрел научно-фантастические фильмы, где эти невероятно крутые летательные аппараты взлетали, как самолет, и устремлялись в космос, — рассказывает Комс. — Именно такого рода технологии — причина того, что люди становятся инженерами, того, что инженеры хотят создавать подобное, особенно когда космопланы долгое время казались чем-то завораживающе близким, реально исполнимым".

Так есть ли у космопланов будущее?

Возможно, конкуренция в создании гиперзвукового самолета и гиперзвукового оружия действительно поможет решить те технологические проблемы, с которыми сталкивается любой проект космоплана. А может быть, лучшим вариантом для космопланов будет нишевая роль, подобная той, что отведена проекту "Боинга".

"Космос — это место, где разбиваются мечты и не сбываются обещания, — говорит Бледдин Боуэн из Лестерского университета, автор книги War in Space: Strategy, Spacepower, Geopolitics ("Война в космосе: стратегия, космические державы и геополитика"). — Космопланы могут просто стать полезной орбитальной лабораторией для испытания новых технологий".

Тем не менее, есть одна вещь, в которой мы можем быть уверены: какое бы будущее ни ожидало космопланы, там будет участвовать Китай. "Нам известно очень мало о том запуске [китайского экспериментального космоплана], — говорит Девилль. — Однако это демонстрирует, что Китай серьезно относится к разработке этой концепции".

"В конце концов, люди хотят от космоса большего, — говорит Нейлард из Reaction Engines. — Они хотят иметь возможность летать туда по мере необходимости, в любой нужный момент. И если нам хочется полностью раскрыть потенциал космоса, то нужно продвигаться в сторону создания именно такого космического корабля".