Дерзкий рывок Европы в космос: гиперзвуковой космоплан Skylon
Ракеты-носители Европейского космического агентства (ESA) не настолько знамениты, как российские «Союзы» или РН от американских NASA и SpaceX. Хотя именно на европейской Ariane 5 будут запускать самый дорой космический телескоп имени Джеймса Уэбба. Но у Европы есть наполеоновские планы — создать космоплан Skylon на гибридном прямоточном гиперзвуковом двигателе уже к 2030 году. Чем он замечателен, какие сложности преодолевают его создатели, и почему не были реализованы аналогичные по концепции проекты — американский Rockwell X-30 и советский Ту-2000?
В презентации на заседании британского фонда по науке и технологиям 15 сентября генеральный директор ESA Йозеф Ашбахер (Josef Aschbacher) отметил продолжение работ по проекту европейского космоплана Skylon. Он будет оснащен гибридным двигателем SABRE британской компании Reaction Engines (прямоточный гиперзвуковой + ракетный). Предполагается начать его использование в беспилотном режиме после 2030 г. для вывода спутников на низкую околоземную орбиту с космодрома в Куру во Французской Гвиане.
Космоплан Skylon будет взлетать и садиться горизонтально с взлётной полосы длиной 5,5 км. При полном взлётном весе в 325 т, длине в 84 м и размахе крыльев 26,8 м, он будет способен выводить полезную нагрузку весом до 15 т на низкую околоземную орбиту высотой 300 км в грузовом отсеке размерами 13х4,8 м. А это, на минуточку, почти что масса модуля «Транквилити» для МКС (15,5 т). Да, МКС находится выше (408 км), но тем не менее.
Достичь космоса, взлетев с космодрома, Skylon позволит гибридный прямоточный воздушно-реактивный двигатель SABRE (The Synergetic Air-Breathing Rocket Engine) тягой 2000 кН (тяга, сравнимая с двигателем РД-191 для РН «Ангара»). По расчетам, он позволит достичь гиперзвуковой скорости в 5 Махов (1 Мах — скорость звука, примерно 1200 км/ч) в атмосфере Земли, используя набегающий потока воздуха в качестве окислителя для сжигания топлива (жидкий водород, LH2). Такой подход позволит существенно сэкономить по сравнению с ракетами: можно взять с собой меньше окислителя.
На высоте 25 км воздухозаборник закрывается и включается стандартный ракетный двигатель с собственными запасами окислителя и топлива (пара жидкий кислород/LOX и LH2) для выхода на орбиту. ESA разрабатывает двухступенчатый вариант космоплана Skylon: вторая ступень отделяется на высоте 150 км и выводит полезную нагрузку на орбиту, а первая ступень, сам космоплан, возвращается на аэродром базирования.
SABRE: двухконтурный двигатель для космоплана
Задача создания гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ГПРВД) является крайне сложной, Reaction Engines начала ею заниматься ещё с конца 1980-х. После закрытия аналогичного британского проекта HOTOL (Horizontal Take-Off and Landing, горизонтальный взлёт и посадка) консорциума Rolls-Royce и British Aerospace, три ведущих разработчика проекта не потеряли веру в идею и основали частную компанию. Сегодня разработки Reaction Engines поддерживают не только Rolls-Royce и British Aerospace, но также Boeing и BAE Systems. А в 2010 г. к проекту присоединилось и ESA с UK Space Agency.
Основная сложность была с мгновенным охлаждением набегающего потока воздуха на гиперзвуковой скорости. Но в последнее время здесь наметился некоторый прогресс, — в 2019 г. Reaction Engines впервые продемонстрировала успешную работу кольцевого предварительного охладителя на скорости в 5 Махов. Устройство из тончайших трубок из никель-хромового жаропрочного сплава с циркулирующим по ним гелием охлаждало набегающий поток воздуха с более чем + 1000 °C до - 150°C всего за 0,05 с. Криогенная температура необходима для сжижения кислорода и смешения с жидким водородом в камере сгорания.
В 2021 г. компания начала работу над следующим этапом — наземные демонстрационные испытания «сердечника» двигателя, который преобразует тепловую энергию, генерируемую предварительным охладителем, в работу внутренних компонентов ракетного двигателя (воздушный турбокомпрессор, топливные насосы, турбина).
Несмотря на первые успехи, для испытания в сборке всего ГПРВД SABRE предстоит решить ещё множество технических задач. Далее планируется создание уменьшенной копии космоплана/технологического демонстратора (длиной 20-25 м и массой от 5 до 12 т), и только после успешных испытаний придет очередь строить полноразмерную систему. Возможно, к 2030 г. всё и не успеть.
Британским разработчикам двигателя SABRE нужно отдать должное, — они настойчиво продолжают разработки концепции гиперзвукового двигателя для одноступенчатого орбитального самолёта горизонтального взлёта и посадки. Несмотря на то, что оба аналогичных по замыслу международного проекта, возникших в конце 1980-х гг., из-за их высокой стоимости так и не увидели практического воплощения. Но об этом стоит рассказать подробнее.
Битва космопланов: последний эпизод космической гонки Холодной войны
Британский проект HOTOL возник в начале 1982 г. на пике мирового интереса к многоразовым космическим транспортным системам, — ещё до аварии шаттла «Челенджер» (28 января 1986 года) и во время максимальной активности по советскому проекту «Энергия—Буран». British Aerospace ставила задачу разработать транспортную систему со стоимостью выведения грузов на 20% ниже, чем у Space Shuttle. Работы начались, но после нескольких лет аудиторы вынесли безоговорочное решение, — создание HOTOL ввиду его новизны потребует 20 лет и обойдётся в баснословные по тем временам £5 млрд. После выхода из проекта Rolls-Royce, посчитавшего, что овчинка не стоит выделки, и выбора Европейским космическим агентством вместо участия в HOTOL разработки традиционного РН (будущего Ariane 5), проект закрыли. А три ключевых разработчика основали частную компанию Reaction Engines.
Однако HOTOL в 1980-е гг. не был единственным проектом класса Airbreathing SSTO (single-stage-to-orbit) — одноступенчатого орбитального самолёта (многоразового воздушно-космического самолета, МВКС) на основе прямоточного гиперзвукового двигателя, где набегающий поток воздуха используется в качестве окислителя (hypersonic air-breathing или supersonic-combustion ramjet — скрамджет, он же ГПРВД). К классу Airbreathing SSTO можно отнести американский проект Rockwell X-30 и советский Ту-2000, — двух представителей последнего этапа космической гонки эпохи Холодной войны.
Rockwell X-30 был технологическим демонстратором в рамках масштабной государственной программы МВКС NASP (National Aero-Space Plane), осуществляемой NASA и Пентагоном в 1986—93 гг. Предполагалось, что в пассажирском варианте NASP сможет совершать гиперзвуковые полёты на трансконтинентальные расстояния, к примеру, из Вашингтона в Токио за пару часов. Rockwell X-30 как демонстратор концепции предполагал меньшие размеры (48,7х22,5 м при взлётной массе 136 т) и возможности, а экипаж должен был состоять всего из 2 человек.
Для X-30 проектировался прямоточный воздушно-реактивный двигатель, использующий в качестве окислителя набегающий поток воздуха, это позволяло снизить общий вес и размеры космоплана. Топливом служила гибридная смесь жидкого и твердого водорода. В теории он позволял разогнаться до 8 Махов, при таких скоростях температура поверхности космоплана в отдельных местах могла достигать 1650 °C, для чего были разработаны композиты на основе титановой матрицы. До закрытия программы разработчики успели протестировать криогенный водородный бак, интегрированный в фюзеляж X-30 на механические нагрузки и работу с температурой до 820 °C.
В рамках программы был проведён большой объём работ по гиперзвуковым двигателям, дизайну и новым конструкционным материалам, но создать полноразмерный прототип X-30 до закрытия программы NASP так и не успели. До наших дней сохранился лишь масштабный макет (1/3) для аэродинамических испытаний. Изначально предполагалось сделать X-30 беспилотным, но из-за изменений требований Пентагона (два члена экипажа + полезная нагрузка) космоплан становился всё тяжелее и дороже. Плюс NASA столкнулось с рядом существенных технических проблем, к созданию ГПРВД приступить не успели, поэтому ввиду урезания бюджета американский проект МВКС в 1993 г. закрыли.
Но работы по самим ГПРВД в США не прекратились. Они продолжились, пусть и в меньшем масштабе, в виде проекта X-43 Hyper-X/X-43A.Фактически, это лишь сам летающий скрамджет с интегрированной конструкцией ГПРВД и фюзеляжа. Из-за того, что ГПРВД начинает эффективно работать лишь при достижении скоростей 4,5 Маха, в качестве первой ступени для разгона использовалась ракета Pegasus, запускаемая с борта Boeing B-52. Было проведено 3 пуска X-43A, два из них успешных, в последнем из них в ноябре 2004 г. прототип достиг скорости 9,64 Маха (10 240 км/ч) на высоте 33 км. Следующим этапом отработки ГПРВД стал проект USAF Boeing X-51/WaveRider, первый пуск которого состоялся в марте 2006 г. Работы по ГПРВД в США продолжаются и сейчас, но ими занимаются уже военные, — всего пару дней Raytheon Technologies провёл успешное испытание ракеты на ГПРВД по проекту HAWC (Hypersonic Air-breathing Weapon Concept) для DARPA и ВВС США.
Работы по отечественному проекту МВКС Ту-2000 класса Airbreathing SSTO начались в 1986 г. как советский ответ американскому Rockwell X-30. Одноступенчатый орбитальный самолёт на основе прямоточного гиперзвукового двигателя должен был иметь массу 260-350 т при размерах 71,4х34,1 м, и выводить полезную нагрузку в 6-10 т на НОО 200-400 км (возвращение 4-8 т с орбиты). Экипаж должен был состоять из 2 человек. Взлетать и садиться МВКС должен был со стандартных ВВП длиной 3 км.
Разработчики Ту-2000 не стали разрабатывать гибридный двухконтурный ГПРВД по типу британского SABRE, а предполагали использовать интегрированную силовую установку, состоящую одновременно из трёх типов двигателей для различных этапов полёта. 4 турбореактивных двигателя для начального этапа атмосферного участка (до 2-3 Махов), 1 ГПРВД/скрамджет для основного полёта на гиперзвуке, и 2 ракетных (пара LOX/LH2) для космического участка и маневрирования на орбите. Такой набор различных специализированных двигателей было интегрировать проще, и делало систему универсальной. С возможностью выполнения многократных орбитальных манёвров, смены аэродромов базирования, совершения автономных орбитальных полётов продолжительностью до суток, крейсерского полёта в атмосфере с гиперзвуковыми скоростями и т. д.
К моменту распада СССР работы по созданию прототипа системы были в самом разгаре. Были изготовлены многие конструктивные элементы технологического демонстратора Ту-2000А, МВКС 1 этапа (взлётная масса 70-90 т, размеры 60х14 м): кессон крыла из никелевого сплава, часть фюзеляжа, криогенные топливные баки и композитные топливопроводы. Для сравнения, — американский проект X-30 застрял на этапе создания секции фюзеляжа из титанового сплава. Предполагалось, что Ту-2000 должен был быть достроен к 2000 г., однако обстоятельства распорядились иначе. При 20 пусках в год стоимость каждого оценивалась в $13,6 млн. В ценах 1995 г. стоимость постройки одного Ту-2000 составляла $450 млн, но общая стоимости ОКР превышала $5,29 млрд. Естественно, таких денег в новой России не было, — проект был закрыт, рассекречен, а его макет впервые показан на Мосаэрошоу-92.
Параллельно в Советском Союзе с середины 1980-х гг. шли работы и над самим ГПРВД, но первый полёт гиперзвуковой летающей лаборатории (ГЛЛ «Холод») с двигателем Э-57 совместной разработки ЦИАМ и КБ «Факел» состоялся лишь в конце 1991 г. До 1999 г. успели провести семь испытательных пусков ГЛЛ «Холод», достигнув максимальной скорости в ~6,5 Маха (6678 км/ч) и времени работы ГПРВД в 77 с. Работы продолжились в рамках проекта ГЛЛ ИГЛА (Исследовательский Гиперзвуковой Летательный Аппарат), макет которого был впервые показан на МАКС-99 (полёт на скоростях 6-14 Маха от 7 до 12 мин, разгон с помощью РН «Рокот»). В начале 2000-х гг. этот проект закрыли, информации по продолжению работ в направлении ГПРВД в настоящее время в открытом доступе нет, но вполне возможно, что они продолжаются российскими военными.
Есть ли будущее у концепции Airbreathing SSTO и проекта ESA Skylon?
Далеко не все эксперты верят в успех европейского проекта SABRE/Skylon, отмечая, что подтверждение технических возможностей реализации концепции ГПРВД ещё не означает создание космоплана Skylon, а самое главное, его конкурентоспособность на мировом рынке пусковых услуг. Очевидно, они имеют в виду кратно более высокую стоимость на практике запусков Space Shuttle, а также крайне высокую стоимость разработки таких систем. Оба аналогичных проекта одноступенчатых космопланов с ГПРВД — и американского Rockwell X-30, и нашего отечественного Ту-2000, — были прекращены в начале 1990-х гг. в основном именно из-за недостатка финансирования.
Так, вся программа ESA Skylon оценивается в $12,3 млрд при стоимости запуска в $9,5—132 млн (70 и 5 пусках в год соответственно). Для сравнения, — стоимость разработки новой РН Ariane 6 составляет $4,23 млрд (да, во много она создаётся с опорой на наработки Ariane 5, но тем не менее) при стоимости запуска $75—115 млн.
Тем не менее, в случае успешной реализации проекта Skylon и создания работающих ГПРВД SABRE, это станет настоящим прорывом в средствах выведения, сравнимым со Space Shuttle для своего времени. Не зря работы по самим ГПРВД продолжаются в США (X-51, HAWC) и Китае (Jia Geng No. 1), сильный задел накоплен в России. Понятно, что они связаны, прежде всего, с отработкой технологий гиперзвукового оружия. Но при их создании решаются те же материаловедческие, аэротермодинамические и двигателестроительные задачи, что и для перспективных проектов SSTO/МВКС. Поэтому пожелаем разработчикам европейской системы удачи!