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

Ради тишины и чистоты Ради тишины и чистоты

Корабли на электричестве покоряют фьорды Норвегии

Популярная механика
10 неожиданных фактов о современной космонавтике 10 неожиданных фактов о современной космонавтике

Интересные и неожиданные факты о современной космонавтике

TechInsider
Танки против крепостей Танки против крепостей

Миф об уничтоженных танковых армиях на улицах Берлина

Популярная механика
«Мне жалко его, очень жалко» «Мне жалко его, очень жалко»

Сергей Бодров-старший о своем сыне и своем новом фильме «Дышите свободно»

Weekend
Главный дровосек планеты Главный дровосек планеты

Победы, поражения и скитания Джейсона Виньярда, короля топора и пилы

Популярная механика
Черное дело Черное дело

Традиционное – не значит устаревшее, считают Елена и Олег Малышевы

Вокруг света
Когда лайнер бьет хвостом Когда лайнер бьет хвостом

Авиаинциденты с «тейлстрайком»

Популярная механика
Восстановление батареи ноутбука: дешевле, чем покупать новую Восстановление батареи ноутбука: дешевле, чем покупать новую

Почему полезно следить за батареей ноутбука

CHIP
Ураганная энергия Ураганная энергия

Как направить в мирное русло энергию ураганов

Популярная механика
Химики смоделировали образование аэрозолей в тропосфере Химики смоделировали образование аэрозолей в тропосфере

Комбинация трех веществ привела к быстрому росту размера и количества частиц

N+1
Карта дня беспилотника Карта дня беспилотника

Как города России готовятся к появлению беспилотных автомобилей

Популярная механика
Что случилось с детьми-актерами из советского фильма «Приключения Буратино» Что случилось с детьми-актерами из советского фильма «Приключения Буратино»

Что стало с актерами-детьми из любимого многими «Приключения Буратино»

Maxim
Моментальная угроза Моментальная угроза

Межконтинентальные баллистические ракеты

Популярная механика
Освободите себя от ненужных споров Освободите себя от ненужных споров

8 правил деэскалации в общении

Reminder
Целого мира мало Целого мира мало

Человечеству грозит дефицит самых простых минеральных ресурсов

Популярная механика
Горько! Горько!

Какие из свадебных традиций действительно наши?

Лиза
Зоопарк болезней Зоопарк болезней

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

Популярная механика
100 лет пионерам! История самой массовой детской организации в СССР 100 лет пионерам! История самой массовой детской организации в СССР

Вспоминаем, как все начиналось, какими были пионеры ну и немного ностальгируем!

The Voicemag
_Не музыка еще, уже не шум _Не музыка еще, уже не шум

Как научить машину сочинять музыку и писать картины

Популярная механика
Борьба с самим собой. В прокат выходит «Клон» — хит фестиваля «Санденс» Борьба с самим собой. В прокат выходит «Клон» — хит фестиваля «Санденс»

«Клон» — триллер о ненависти к самому себе

СНОБ
Полет бумеранга Полет бумеранга

Гибрид самолета, вертолета, конвертоплана и автожира

Популярная механика
Петербургский отельер — о том, как сделать премиум-отель из коммуналок Петербургский отельер — о том, как сделать премиум-отель из коммуналок

Отельер Юнис Теймурханлы — о потребности постоянно находиться в гостинице

РБК
Пока не было света Пока не было света

Предыстория солнца и солнечной системы

Популярная механика
Диетолог из Гарварда назвала 5 видов продуктов, которые заставляют вас чувствовать себя уставшими и тревожными Диетолог из Гарварда назвала 5 видов продуктов, которые заставляют вас чувствовать себя уставшими и тревожными

Какие продукты могут вызвать тревогу и усталость

Inc.
Межпланетная картография Межпланетная картография

Как реконструировать ключевые детали на поверхности далекой планеты

Популярная механика
Начнём с того, что нельзя доверить другим секс и еду: как перестать брать задачи на себя и начать делегировать Начнём с того, что нельзя доверить другим секс и еду: как перестать брать задачи на себя и начать делегировать

Нельзя доверить другим секс и еду: как научиться делегировать обязанности?

VC.RU
Техпарад Техпарад

Новости мира науки

Популярная механика
Трагедия вундеркинда: почему поэтесса Ника Турбина пострадала от своей ранней славы Трагедия вундеркинда: почему поэтесса Ника Турбина пострадала от своей ранней славы

Что отличает фильм «Ника» от традиционных байопиков

Forbes
Нобелевская кухня Нобелевская кухня

Как с помощью скотча получить графен в домашних условиях

Популярная механика
Свет по шнурку. Оптоволокно – что такое, как работает и зачем нужно Свет по шнурку. Оптоволокно – что такое, как работает и зачем нужно

Как удалось передать свет по проводам, и почему именно свет?

Цифровой океан
Открыть в приложении