Космоплан

Космоплан — это, как следует из названия, летательный аппарат, способный совершать управляемый полёт как в атмосфере, так и в космосе. Причем, в основном — планирующий, при возвращении из космоса. Всего лишь.

Идея космоплана будоражила умы человечества примерно так же как летающая субмарина, однако в отличие от неё это вполне себе осуществимый проект. Зачем это нужно? Прежде всего — посадка. Просто потому, что ловить капсулы, падающие на кого бог пошлёт — космические агентства слега подзадолбало, ибо это дополнительные траты.

А что делать со взлётом? Ну, здесь есть проблема. Точнее, две: двигатель, который мог бы работать и в атмосфере, и в космосе — одинаково плохо делает и то и другое, а длительный набор скорости в атмосфере из-за терминальной скорости приводит к перерасходу топлива, снижая экономию на окислителе фактически до нуля. А чтобы ускорить взлет, нужно разработать гиперзвуковой двигатель, что ещё никому толком не удалось. А ведь хорошая была идея — здорово сэкономить на весе окислителя, используя при взлёте атмосферный кислород, взлетая с аэродрома! Кроме того, сам по себе взлет на крыльях интересен тем, что использует плотную атмосферу для создания подъемной силы крыла, вместо того, чтобы бороться с её сопротивлением (работает недолго, потому что «главное в космосе не то, что это очень высоко, а то, что это очень быстро», но и выход из плотных слоёв тоже чего-то сто́ит).

Более того, такой самолётик смог бы здорово облегчить взлет с других планет, обладающих атмосферой. Правда, с другой стороны, кислородная атмосфера достаточной плотности есть только на Земле. На Марсе же атмосфера слишком тонкая, и окислителя в ней фактически нет. На Венере ещё хуже — вылететь из её атмосферы — проще пареной репы. А вот выжить в этой атмосфере, которая стремится разъесть и расплющить всё на свете — уже проблематично, не говоря о том, что поверхность Венеры — это что-то жуткое.

Но мы не теряем надежды.

В чем проблема?

Основные две проблемы, которые нужно преодолеть строителям космопланов — это разогрев космического корабля от сжатия атмосферы на гиперзвуковой скорости и создания двигателя, который смог бы быть эффективным на всех режимах полёта. А это очень сложно. Например, на дозвуковой скорости наиболее эффективно прямое крыло и любое двигло, которое обеспечит самолёту скорость, достаточную для взлёта. На сверхзвуковой — уже нужно треугольное крыло (или оживальной формы, как у Ту-144), и турбореактивный двигатель. На гиперзвуковой крылья нужно укоротить, а корпус сделать похожим на утюг, иначе будет плохо. Двигатель для этого монстра будет уже прямоточным, так как компрессию воздуха обеспечивает само движение самолёта. На предорбитальных скоростях — гипотетический на настоящий момент ГПВРД (разновидность прямоточного, у которого воздух ни разу не вытормаживается до дозвуковой скорости, а так и пролетает от входного конуса до сопла на сверхзвуке, вот только в реальности, если верить Википедии, топливо в таких условиях не очень-то хочет гореть, сверхзвук любой фронт горения срывает к чертям). Ну и наконец, для выхода на орбиту нужен двигатель с высокой тягой, питаемый от внутренних запасов окислителя и топлива, а для маневрирования нужны двигатели малой тяги. Таким образом, так как совместить все эти требования в одном аппарате невозможно, лишние двигатели выкинули, оставив только маршевый, малой тяги и маневровые, а к космическому кораблю, с крыльями сверхзвуковой формы (считая, что при посадке атмосфера затормозит корабль до этой скорости, а дальше он уже вырулит на посадку), приделали очень большой сбрасываемый бак с топливом и окислителем. Всю эту хрень цепляли к парочке твердотопливных ускорителей и — получился шаттл.

Разница между космопланом и ракетопланом

Иногда люди путают две разные вещи — космоплан и ракетоплан. Так вот, ракетоплан — это обычный самолёт, но с ракетными двигателями. Его принцип действия — полёт в атмосфере за счет разгона до очень высокой скорости с набором высоты, а затем планирующий полёт до точки назначения. На заре самолётостроения это считалось очень перспективным направлением, из-за того что делать надежные двигатели для дальних перелётов ещё не умели, а вот ракетные — уже научились. Потом умные люди, прокачавшие скилл во время второй мировой войны, придумали множество простых, надежных и мощных двигателей, и проблема отпала — а ракетопланы заняли узкую нишу испытательных самолётов для разнообразной космической начинки.

Космоплан же предназначен для космоса, а не для трансконтинентальных перелётов. В этом вся разница.

Можно ли иначе? Можно.

Попытки решения проблем.

Впрочем, если бы конструкторы не пытались решать проблемы, то цивилизация не сдвинулась бы с места.

Первое поколение реально летавших космопланов — Шаттлы и Буран (называемые также челноками) — взлетало в космос вертикально, как обычные ракеты, с отделением отработанных ступеней. Таким образом, большинство вышеописанных проблем, связанных с разгоном по-самолетному в атмосфере, попросту игнорировалось. Космоплан фактически являлся последней ступенью ракеты, в атмосфере не летает, а только планирует с орбиты вниз. Поэтому он и космоплан, то есть планер, а не космолет. В чем же в таком случае выгода, если кислород воздуха не используется в качестве окислителя? Теоретически, выгода есть, и немаленькая.

1. Более мягкое торможение в атмосфере, управляемая посадка, совершаемая на взлетно-посадочную полосу, а не шмяк об поверхность, куда придется, в степь или океан.
2. Возможность повторного использования планера, чем, теоретически, достигается большая экономия.
3. Возможность возвращения с орбиты спутников и другого оборудования.

Поскольку от челноков требовалось только приземлиться, то и требования к форме корпуса и крыльев были проще (теоретически, на практике же Шаттл неплохо переусложнили в угоду военным — см. ниже), за что Шаттл иногда называют «летающим кирпичом». Двигатели, опять же, были ракетными и никак с кислородом воздуха не взаимодействовали. Что интересно, Шаттл взлетал на собственных двигателях в сочетании с боковыми твердотопливными ускорителями (большая красная штука, к которой он крепился — не ракета-носитель, а внешний бак), а Буран — на ракете-носителе Энергия.

Тем не менее, программы Шаттл и Буран в долгосрочной перспективе так и «не взлетели» (см. ниже). Хотя сама идея ракетного взлета и горизонтальной посадки никуда не делась и используется в реально летающим в настоящее время небольшом мини-шаттле Boeing X-37.

Однако у конструкторов была другая идея, известная под названием «воздушный старт». В самом деле, можно попытаться запустить космоплан не с ракеты, а с самолёта-разгонщика, реализуя упомянутое выше преимущество — использование в качестве окислителя кислорода прямо из воздуха, без необходимости тащить его за собой в баках. Стоит ли затеваться с такой конструкцией, не сведет ли на нет это преимущество перерасход топлива при длительном разгоне? На самом деле, нет, так как использование кислорода воздуха в качестве окислителя — далеко не единственный бонус.

1. Более комфортные перегрузки для пилотов.
2. Взлетать можно с обычной взлетно-посадочной полосы, без стартового стола.
3. Вся система может самостоятельно перебазироваться с одного аэродрома на другой.
4. В полете можно выбрать любое направление и широту, и, соответственно, выбирать любое наклонение орбиты.
5. Самолёт-разгонщик и космоплан в полете разделяются. То есть, фактически, имеем многоступенчатую систему, в которой разгонщик является первой ступенью. Соответственно, с точки зрения уравнения движения точки переменной массы (формулы Конгрива) осуществление такой системы гораздо проще, чем взлет настоящего одноступенчатого космолета.
6. И разгонщик, и космоплан должны приземляться на взлетно-посадочные посадочные полосы и использоваться многократно. Отсюда колоссальная экономия. Одноразовые элементы остались: например, сбрасываемые ракетные ускорители или внешние топливные баки космоплана, играющие роль второй-третьей ступеней. Но их намного меньше, чем при классическом ракетном запуске.
7. Нам не нужно проектировать аппарат, способный одинаково хорошо летать и в атмосфере, и в вакууме. У нас есть два совершенно разных самолета, между которыми осуществляется разделение труда и которые проектируются, исходя каждый из своей специализации. В частности, самолёту-разгонщику не нужны ракетные двигатели и мощная теплозащита, а космоплану — большие крылья и воздушные турбины (потому что зачем они в вакууме?).

Основных проблем тут две. Во-первых, полезный груз при таком старте значительно ограничен по массе, габаритам и способности выдерживать горизонтальные и вертикальные перегрузки одновременно. Во-вторых, сложности возникают с разработкой самолета-разгонщика.

Для начала нужно было разобраться с теплозащитой самого планера. Для начала придумали «горячую схему». Один из первых проектов, нереализованный американский X-20 Dyna-Soar должен был покрываться крайне тугоплавкими металлическими сплавами.

При входе в атмосферу покрытие должно было раскаляться докрасна. Если кто-то забыл физику, то напоминаем, что теплопередача может осуществляться и через излучение. Именно свечение должно было отводить лишнюю температуру от корпуса.

Похожая схема была на советской «Спирали» — снизу крепился теплозащитный экран, выполненный из пластин тугоплавкого сплава, расположенных по принципу «рыбьей чешуи». Экран подвешивался на керамических подшипниках, благодаря которым температурные напряжения снимались за счет подвижности экрана относительно корпуса.

Впоследствии была предложена и реально осуществлена более простая схема на основе силикатных или керамических теплозащитных плиток. Забавный факт — среди разработчиков такого покрытия для Бурана оказался будущий музыкант Сергей Летов.

Сложнее оказалось с температурой воздуха, поступающего в воздухозаборник гиперзвукового движка разгонщика — за счет сжатия она достигала полутора тысяч градусов. В общем и целом, идеи, как остудить настолько горячую массу воздуха, сводились к следующему. В качестве топлива для гиперзвукового самолета наиболее перспективным оказались жидкий водород или жидкий метан. Поскольку температура кипения этих газов очень низка, их можно было бы использовать в качестве охладителя корпуса, а также закачивать в теплообменник двигателя. При этом горячий воздух терял температуру и мог быть разделен на кислород и примеси, а водород (или метан), наоборот, закипал. Соответственно, примеси удалялись, а кислород и топливо сжигались в двигателе.

Идея красивая, но за последние 30-40 лет в металле так и не реализованная.

При этом нужно заметить, что такой двигатель работал бы уже на скоростях выше звуковой в четыре и более раз, до которых ещё надо как-то разогнаться. Например, устанавливая на самолет также и традиционные движки.

В принципе, можно было бы и не возиться с гиперзвуковым разгонщиком. Экспериментальные мини-шаттлы с успехом стартовали с военных бомбардировщиков. Однако для того, чтобы аппарат мог выходить в космос с существенной полезной нагрузкой или людьми, требовался очень грузоподъемный дозвуковой самолет — например, Мрия, или ещё более монструозный. Так родилась программа МАКС.

Космолеты

Существовали и проекты одноступенчатых орбитальных самолетов (SSTO). Поскольку взлетать они должны были сами, то и называют их уже космолетами, а не космопланами.

Главный плюс виделся как раз в наличии только одной ступени. Минимум одноразовых элементов, а способность к полету в атмосфере позволяет рассчитывать на многоразовое использование корабля. Хоть максимальная масса полезной нагрузки проектов космолетов и многократно уступала таковой у сверхтяжелых ракет, многоразовое использование должно было окупить все затраты.

Проектов космолетов было много, но ни один не был реализован в металле, поэтому сложно выделить что-то общее между ними. Многие проекты вертелись вокруг описанной выше схемы с гиперзвуковыми двигателями, забором кислорода из воздуха и теплообменниками с жидким водородом. Такая схема при условии достижения гиперзвука позволяла добиться приемлемого соотношения массы конструкции и массы полезной нагрузки для одноступенчатой системы — за счет экономии на окислителе, быстром разгоне и использовании подъемной силы крыла.

Естественно, летать одинаково хорошо и как самолет, и как космический корабль (как это показывают в фантастических фильмах) такие игрушки вряд ли смогли бы. Все силы бросались на максимальный разгон в атмосфере и выход на орбиту; простой полет в атмосфере был бы нецелесообразным (кроме разве что перебазирования, если конструкция позволяет).

Примеры

• Прежде всего это главная фишка классических «летающих тарелок» и некоторых других подобных аппаратов.
• Истребители в космоопере часто являются именно космопланами и умеют летать в атмосфере, используя крылья.
  • Сюда же и космооперные транспортно-десантные «челноки».

• Виктор Вагнер, «Дети пространства»: практически все корабли (корабли-заводы и корабли, в принципе не рассчитанные на вход в атмосферу — отдельный разговор) — этот троп. Используется двухрежимный ТЯРД: в режиме большой тяги (скорость истечения 5-7 км/сек) — взлетают с планет; если у планеты есть атмосфера — используют её, пока она есть. В режиме малой тяги (скорость истечения сотни км/с, но малый расход) — используется для внутрисистемных полетов. Посадка обычно на воду (если она вообще есть; на Земле пришлось по ряду причин извращаться, в Порт-Шамбале садятся на горное озеро).
  • Флиттер — малый самолет (бывают двухместные, бывают — размером с междугородний автобус). Флиттеры предназначены для полётов в пределах одной планеты, но спокойно выходят на низкую орбиту. В тексте прямо сказано, что в принципе можно и на Луну слетать, но обычно для таких целей ради комфорта используют что покрупнее. Появились, когда стало возможным разработать малогабаритный термоядерный реактор.
• Юбер аллес — именно его пилотировал райхспрезидент Шук.
• Александр Прозоров, «Планета белой расы» — поскольку данный цикл представляет собой современный «производственный роман», то в нём автор подробнейшим образом описывает технические характеристики космоплана, который разработали главные герои. На космолёте используется термоядерный двигатель (серия взрывов капсул микроскопического размера, сжатие которых обеспечивается лазерами, толкает большую тяжёлую опорную плиту). Во избежание выжигания бортовой электроники электромагнитными импульсами все системы упакованы в толстые металлические сейфы, соединёнными оптическими кабелями. По этой же причине самолёт воздушного старта после разгона сбрасывает космоплан на одноразовом пластиковом планере и улетает на безопасное расстояние. Посадка производится ещё проще — коспоплан разворачивается и одним или несколькими взрывами уменьшает свою скорость почти до нуля, и начинает просто падать на Землю без какого-либо классического «торможения об атмосферу в облаке раскалённой плазмы». На определённой высоте крылья начинают чувствовать воздух, что позволяет превратить падение в управляемое планирование до ближайшего аэродрома.
• Звёздные войны — корабль королевы Набу имеет небольшие крылья.
• «Звёздные врата» — планер (или крыло) смерти гоа’улдов может базироваться как на планете, так и на борту крупного корабля типа «Ха’так». Позже, изучив несколько планеров смерти, конструкторы «Зоны 51» создают прототип полностью земного образца сабжа — «X-302» («X-301» представлял собой неудачный гибрид технологий тау’ри и гоа’улдов). «X-302» обладает четырьмя движками, три из которых позволяют ему достичь орбиты с поверхности Земли — обычный реактивный двигатель, клиновоздушный ракетный двигатель и ракетный ускоритель (для верхних слоёв атмосферы и вакуума). Кроме того имелся гипердрайв для сверхсветового движения. Прототип удался, и тау’ри начали производить серию «F-302», правда уже без гипердрайва, который оказался дефектным.
• Kerbal Space Program — строить космопланы и особенно космолёты заметно труднее, чем обычные многоступенчатые ракеты, да и управлять ими сложнее; но уж если игрок этому научился — результат того стоит. По крайней мере, в режиме карьеры: приземлив космолёт на ВПП космодрома, можно утилизовать его за полную стоимость — то есть деньги тратятся только на топливо.

Реальная жизнь

• «Спейс Шаттл» и «Буран» — многоразовое использование обеспечивалось именно за счёт мягкой посадки «по-самолётному». Провал первого объяснялся тем, что проект курировали военные, предложив ему летать по полярной орбите и иметь широкий диапазон манёвра. Но так как шаттл применялся совершенно для других целей, то его эффективность была гораздо ниже той, которая могла бы быть, если бы этот проект делали сегодня, и для целей снабжения МКС. Буран же, несмотря на выдающиеся достижения советской инженерии и не менее выдающиеся провалы, был создан как конкурент и как «мы тоже так можем», и не эксплуатировался.
• «Спираль» — нереализованный советский проект «космического истребителя-бомбардировщика», запускаемого с воздушного носителя (сверхзвукового самолёта).
  • МАКС — аналогичный проект транспортного корабля, создававшийся в 1980-е годы как альтернатива «Бурану».
• X-20 «Dyna-Soar» — проект «космического истребителя» США, запускаемый по традиционной схеме (ракетой «Титан»)
• SpaceShipOne и SpaceShipTwo — суборбитальные (т. е. не выходящие на круговую орбиту) космопланы.
• Boeing X-37 — беспилотный американский космоплан, а так же его безымянный китайский аналог.
• Dream Chaser — разрабатываемый «мини-шаттл», предназначенный для полётов к МКС.
• Многоразовые ракеты-носители, да не планирует, а приземляется на реактивной тяге, но отличаются от космопланов своей универсальностью, тем что могут сесть и взлететь не только на Земле. Именно это и хочет сделать Илон Маск из своих Falcon 9.