Вы знакомы с проектом Skylon британской компании Reaction Engines. Как и мы, вы, помнится, высказывали скептическое отношение к охлаждению воздушного потока «на лету» до –140 ˚C, без которого весь проект не очень-то реален
Но подробности технологии, увы, вновь замалчиваются, зато объявлено, что наконец-то начались испытания камеры предварительного охлаждения для ГПВРД Skylon…
…И если они окажутся успешными, то говорить придётся как минимум о революции в авиационном двигателестроении, а как максимум — о некотором изменении нашего подхода к полётам в космос.
Теоретически преимущества Skylon огромны. Возможность выбросить часть жидкого кислорода (который нынешними ракетами везётся с собой) и до высоты в 28,5 км использовать в качестве окислителя забортный воздух позволит космолёту радикально снизить массу топлива и увеличить полезную нагрузку. По оценкам, стоимость выведения грузов на орбиту уменьшится в 15–30 раз. Представляете?
Аппарат будет способен подниматься в воздух как обычный самолёт и, достигнув гиперзвуковой скорости в М5,5 и высоты в 28,5 км, переходить на питание кислородом из собственных баков — чтобы оказаться на орбите. Таким образом, этот космолёт не только должен выходить в космос без использования разгонных ступеней или внешних ускорителей, но и осуществлять весь полёт, используя одни и те же двигатели (!) на всех этапах, начиная со взлёта с аэродрома и заканчивая орбитальным участком.
Концепция Skylon необычна ещё и тем, что жидкий водород планируется хранить при минимальном давлении, чтобы снизить прочностные требования и толщину алюминиевых топливных баков внутри планера орбитального самолёта. Благодаря этому Skylon будет иметь большой объём и малую массу, особенно при спуске на землю, когда водорода в баках почти не останется. Зачем нужна низкая масса при большом объёме, то есть значительном воздушном сопротивлении? Тут заложена очень интересная идея: большой пустой предмет при спуске в атмосферу будет иметь меньший баллистический коэффициент (в его формуле плотность в числителе) — а значит, сможет раньше тормозиться воздухом, чем маленький и плотный, такой как шаттл или «Буран». Это позволит начать торможение в более высоких слоях атмосферы и эффективно замедляться при меньших тепловых нагрузках.
По расчётам, оболочка Skylon будет нагреваться всего до 1 100 К против 2 000 К у шаттла.
Главной частью проекта, конечно, является уникальная силовая установка SABRE — синергетический ракетный двигатель воздушного питания, который до 28,5 км работает как гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ГПВРД), оснащённый турбокомпрессором и необычным устройством предварительного охлаждения, находящимся сразу перед воздухозаборниками. Словом, вот вам нечто невиданное — гиперзвуковой комбинированный воздушно-реактивный/ракетный двигатель с предварительным охлаждением.
Вопрос лишь в том, насколько удачной будет инженерная реализация этой красивой идеи орбитального самолёта, одновременно умеющего летать как в атмосфере, так и в космосе. В этом смысле устройство предварительного охлаждения поступающего воздуха — самое «тонкое место», критически важный компонент всей системы.
На бумаге всё очень просто. Воздух, поступающий в воздухозаборники, охлаждается двухступенчатой системой «газообразный гелий — жидкий азот» с 1 000 ˚C до –140 ˚C. Для чего? В предшествовавших схемах разработчика Skylon Алана Бонда гелиевого контура не было, жидкий водород подавался сразу в камеру предварительного охлаждения для снижения температуры воздуха. Но вот проблема: хотя он отлично охлаждал воздух, металл, контактировавший с жидким водородом, моментально делался хрупким. Газовое охлаждение помогает избежать этого явления, делающего любой двигатель такой схемы непрактичным.
Зачем вообще охлаждать воздух? Нагретый воздух, забираемый в двигатель, при повышении давления дополнительно нагревается. Чтобы сохранить работоспособность силовой установки, её нужно делать из тугоплавких металлов и тяжёлых сплавов (с тем же никелем и пр.). Для полёта в космос это слишком неподъёмный вариант. Кроме того, предварительное глубокое охлаждение воздуха позволяет обеспечивать турбокомпрессору ту самую необычайно высокую степень сжатия. В результате SABRE планируется производить из лёгких сплавов и при этом с необычно высокой степенью сжатия воздуха, обеспечиваемой турбокомпрессором.
Последний, кстати, питается в основном не за счёт выхлопных газов двигателя, а от турбины, работающей в гелиевой системе охлаждения и преобразующей собираемое системой охлаждения избыточное тепло в полезную работу по сжатию воздуха. В этой схеме есть только одно слабое звено — предварительное удаление паров воды, которые при –140 ˚C замёрзнут и разрушат двигатель. Если оно сработает (как раз этих деталей конструкторы не раскрывают!), то испытания должны пройти успешно. А значит, и проект Skylon может стать реальностью, наконец-то дав человечеству многоразовый космический корабль, возящий с собой гораздо меньше вагонов (по весу) жидкого кислорода и куда больше полезного груза.
Кстати, на базе такого же двигателя в рамках европейской программы LAPCAT II предлагается строить и Reaction Engines A2, 400-тонный гиперзвуковой воздушный лайнер, рассчитанный на 300 пассажиров. Как и Skylon, он будет летать на жидком водороде, имеющем вдвое бόльшую весовую энергоёмкость, причём летать на высотах в 25–27 км при скоростях до М5,5. Reaction Engines обещает, что такой ЛА сможет добраться до любой точки мира за четыре часа.
Что ж, если испытания камеры предварительного охлаждения SABRE завершатся успешно, очень может быть, что и A2 взлетит…
