Сочетание качеств турбореактивного, прямоточного и ракетного двигателей

Популярная механикаHi-Tech

Двигатель для космолета

Текст: Константин Предаченко

Через десять лет после удачного штурма космоса несколько стран затеяли чрезвычайно амбициозные проекты по его дальнейшему освоению. В 1971 году США запустили программу Space Shuttle, через пять лет СССР начал разработку системы «Энергия – буран», а еще через шесть лет к гонке подключилась Великобритания с проектом HOTOL (Horizontal take-off and landing).

Многие специалисты считают именно английский проект самым революционным: если США и СССР развивали традиционные ракетные технологии, заложенные еще Вернером фон Брауном, то Великобритания решила создать принципиально новый воздушно-космический самолет. Самим аппаратом занималась British Aerospace, а уникальный воздушно-реактивный двигатель должна была разработать компания Rolls-Royce. Планировалось, что HOTOL будет взлетать с разгонной аэродромной тележки, двигатель начнет работать в воздушно-реактивном режиме (до высоты около 28 км), используя в качестве окислителя забортный воздух, после чего перейдет в режим классического ракетного жидкостного двигателя. Создание такого двигателя и сейчас задача почти фантастическая, что же говорить о восьмидесятых годах. Довольно скоро Rolls-Royce столкнулась с рядом трудностей, повлекших незапланированный рост затрат на исследовательские работы. В итоге British Aerospace решила отказаться от революционного двигателя и вступить в кооперацию с СССР, переименовав проект в Interim HOTOL. Аппарат планировали оснастить советскими ЖРД и запускать с модифицированного самолета Ан-225. Сотрудничество началось в 1991-м, однако в этом же году Советский Союз закончил свое существование, похоронив под своими обломками и совместный проект.

Три в одном

Не все были согласны с таким положением дел. После сворачивания работ над RB545 в 1989 году ведущий конструктор двигателя Алан Бонд забрал с собой двух инженеров Rolls-Royce и основал собственную компанию – Reaction Engines. Она сосредоточилась на создании гибридного двигателя SABRE (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine) и разработке других технологий для воплощения проекта космоплана Skylon. Многие эксперты считают, что проект SABRE способен перевернуть современную космонавтику и сделать возможным создание одноступенчатого космического аппарата. Он может работать на первом этапе полета как турбореактивный двигатель, в качестве окислителя забирая забортный воздух. На втором этапе – как прямоточный двигатель, а на третьем – как обычный ракетный двигатель, используя внутренний бортовой окислитель.

Идея одноступенчатого многоразового воздушно-космического аппарата (SSTO, Single Stage to Orbit) далеко не нова, но на пути ее воплощения стоит ряд препятствий – низкий уровень весовой отдачи конструкции и недостаточный удельный импульс существующих ракетных двигателей. Это взаимосвязанные параметры: повысив удельный импульс (который показывает, сколько секунд данный двигатель сможет создавать тягу в 1 Н, истратив при этом 1 кг топлива), вы можете получить ту же тягу с меньшим расходом топлива и окислителя, что позволяет сделать конструкцию большей массы. Однако существующие жидкостные ракетные двигатели имеют удельный импульс в вакууме порядка 400 с (рекорд для кислород-водородных КВД1 и RL-10 составляет 462 с, двигатели на экзотических компонентах – например, использующие водород-литий-фтор – позволяют получить на сотню больше, однако с ними столько проблем, что игра не стоит свеч).

Hotol. Беспилотный аппарат был предназначен для доставки полезной нагрузки массой около 7–8 т на низкую орбиту высотой 300 км. Он должен был взлетать с взлетно-посадочной полосы, размещаясь на фюзеляже большого самолета-носителя с ракетными ускорителями, которые должны были помочь разогнать аппарат до скоростей, оптимальных для работы его двигателей. Двигатели должны были переключаться с воздушно-реактивного на ракетный режим работы при достижении аппаратом скорости в 5–7 М.

Не ракета, не самолет

В то же время двигатели современных авиалайнеров имеют удельный импульс на порядок выше, приближаясь к цифре 6000 с, и даже «прожорливый» двигатель сверхзвукового Concorde имел удельный импульс всего в два раза ниже – 3000 с (почти в десять раз экономичней космической ракеты). Такая радикальная разница из-за иного принципа работы: воздушно-реактивный двигатель на каждую часть топлива использует 14 частей воздуха (если топливо – водород, то 30), а ракетному приходится черпать из баков все, что потом улетит в сопло.

Можно, конечно, использовать воздушно-реактивный двигатель на части траектории выведения, которая проходит сквозь плотные слои атмосферы, с его экономичностью и отсутствием необходимости в окислителе. Но не все так просто. Космическая ракета стремится пройти плотные слои атмосферы быстро, проткнув их на вертикальном участке траектории, а уже потом заваливая траекторию горизонтально. Аппарат с ВРД не может позволить себе такой роскоши – он должен максимально использовать бесплатный окислитель за бортом, потому его траектория пологая и долгое время проходит в плотных слоях атмосферы, с большой скоростью полета на этом участке. Все это время аппарат находится под воздействием скоростного напора набегающего потока, что требует упрочнения конструкции и повышения эффективности теплозащиты – и то и другое тянет за собой увеличение веса. Есть еще одна хитрость – возможность использовать подъемную силу крыла: если ракета с вертикальным стартом висит на тяге двигателей и при наборе высоты тяга должна быть больше ее веса, то крылатый аппарат с аэродинамическим качеством 5 для набора высоты должен иметь тягу всего лишь больше 1/5 веса. Однако крылья – это тоже дополнительный рост веса конструкции. Все это затягивается в тугой клубок противоречий, решить которые на современном технологическом уровне, получив преимущества над многоступенчатой системой, достаточно сложно.

Самый мощный холодильник в мире

Алан Бонд со своей командой столкнулся с теми же проблемами, что и его предшественники: среди всего множества существующих типов воздушно-реактивных двигателей нет универсала, каждый из них отличается разной эффективностью, каждый хорош в своем диапазоне скоростей, обладает своего рода узкой специализацией. Турбореактивный двигатель отлично работает в диапазоне от 0 до 3 М, но разгон с его помощью до больших скоростей затруднителен: воздух при торможении в воздухозаборнике нагревается так сильно, что дальнейшее сжатие его компрессором приводит к росту температуры до величин, выходящих за пределы термостойкости материалов камеры сгорания и турбины. Прямоточный воздушно-реактивный двигатель и гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель (последний отличается сверхзвуковым течением в камере сгорания) отлично работают на больших скоростях (Х-43А достиг 10 М), однако не работают на малых. Турборакетные двигатели обладают низким удельным импульсом и тяговооруженностью (они тяжелы для той тяги, что создают). В свое время большие надежды возлагали на двигатель со сжижением кислорода (LACE, Liquid Air Cycle Engine), в котором криогенное топливо идет через теплообменник, забирая тепло у набегающего потока до температуры сжижения воздуха, далее через сепаратор, где кислород отделяется от азота и подается в камеру сгорания. Однако такой двигатель тяжел, конструктивно сложен (прощай, надежность) и имеет повышенный расход топлива (водорода на охлаждение тратится больше, чем можно сжечь в камере сгорания с полученным жидким кислородом, а это потери удельного импульса). Впрочем, от LACE Алан Бонд решил позаимствовать идею охлаждать воздушный поток в теплообменнике.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Моментальная угроза Моментальная угроза

Межконтинентальные баллистические ракеты

Популярная механика
Грибы Грибы

Полны белка и клетчатки: чем полезны грибы и как их готовить?

Здоровье
Самая древняя Русь Самая древняя Русь

Животный мир давно минувших эпох

Популярная механика
Мария Стерникова о Валерии Носике: «Он был человеком необыкновенной доброты и света» Мария Стерникова о Валерии Носике: «Он был человеком необыкновенной доброты и света»

«Он, как волшебник, прилетал ненадолго со съемок, а внизу его уже ждала машина»

Коллекция. Караван историй
Сколько можно спать? Сколько можно спать?

Еще несколько сотен лет назад европейцы спали дважды за сутки

Популярная механика
Место встречи, а не экскурсия Место встречи, а не экскурсия

Как сделать культуру и искусство доступными и понятными для широкой аудитории?

Монокль
Межпланетная картография Межпланетная картография

Как реконструировать ключевые детали на поверхности далекой планеты

Популярная механика
Тихая охота Тихая охота

Как правильно и безопасно собирать грибы осенью

Лиза
Полет бумеранга Полет бумеранга

Гибрид самолета, вертолета, конвертоплана и автожира

Популярная механика
Тайна «пляжного тела» Тайна «пляжного тела»

«Пляжное тела»: почему оно есть у всех и в то же время не существует

VOICE
Спим на уроке: обучение в состоянии осознанного сновидения Спим на уроке: обучение в состоянии осознанного сновидения

Возможно, скоро мы сможем тренироваться, не вылезая из-под одеяла, прямо во сне

Популярная механика
Фрагмент истории Фрагмент истории

Интерьер, в котором сохранили стену с аутентичной кирпичной кладкой

Идеи Вашего Дома
Пока не было света Пока не было света

Предыстория солнца и солнечной системы

Популярная механика
Потепление океана оказалось угрозой для бактериального фотосинтеза Потепление океана оказалось угрозой для бактериального фотосинтеза

Вода теплее 28 градусов приведет к коллапсу популяций цианобактерий

N+1
Квантовое превосходство Квантовое превосходство

В IT сложилась предреволюционная ситуация

Популярная механика
Пластыри от прыщей: как они устроены и действительно ли помогают избавиться от высыпаний Пластыри от прыщей: как они устроены и действительно ли помогают избавиться от высыпаний

Работают ли патчи от прыщей или это просто маркетинг?

ТехИнсайдер
Зоопарк болезней Зоопарк болезней

На невидимом фронте биомедицины трудятся не только мыши, крысы и макаки

Популярная механика
«Стекло в пуантах — прошлый век» «Стекло в пуантах — прошлый век»

Почему в профессии балерины так важны верные партнеры и любовь к своему делу

OK!
Брат небесный, брат земной Брат небесный, брат земной

NASA исследует близнецов: астронавта и его брата, оставшегося на Земле

Популярная механика
Последнее думающее поколение. Кто на самом деле воспитывает наших детей Последнее думающее поколение. Кто на самом деле воспитывает наших детей

Как ИИ становится цифровым воспитателем

Inc.
Будущее пятого поколения Будущее пятого поколения

Время 4G на исходе. 5G серьезно изменит нашу жизнь

Популярная механика
Скороварка эволюции: как городская жизнь изменила вид и повадки животных и насекомых Скороварка эволюции: как городская жизнь изменила вид и повадки животных и насекомых

Как меняются животные и растения в городах

Forbes
Интеллект для самолета Интеллект для самолета

Многофункциональная боевая машина следующего поколения

Популярная механика
Сергей Довлатов: зумер среди классиков Сергей Довлатов: зумер среди классиков

О роли Сергея Довлатова в литературе и причинах его современности

Правила жизни
_Не музыка еще, уже не шум _Не музыка еще, уже не шум

Как научить машину сочинять музыку и писать картины

Популярная механика
Чем известен убитый союзник Дональда Трампа Чарли Кирк Чем известен убитый союзник Дональда Трампа Чарли Кирк

Мученик-трампист Чарли Кирк был консерватором, популярным среди молодежи

Ведомости
Нобелевская кухня Нобелевская кухня

Как с помощью скотча получить графен в домашних условиях

Популярная механика
Правда ли, что OLED-экраны мониторов и телевизоров выгорают? Правда ли, что OLED-экраны мониторов и телевизоров выгорают?

Выгорание OLED-экранов: оправданы ли страхи в действительности?

CHIP
Ураганная энергия Ураганная энергия

Как направить в мирное русло энергию ураганов

Популярная механика
Вода в топливном баке: чем опасна, как убрать и чем это лучше сделать Вода в топливном баке: чем опасна, как убрать и чем это лучше сделать

Как действовать, если вода в значимых количествах попала в бензобак?

РБК
Открыть в приложении