Эффективный комбинированный реактивный двигатель — основа воздушно-космического самолета (космолета)

Напомним читателю, что под воздушно-космическим самолетом (ВКС) подразумевается крылатый летательный аппарат (ЛА) самолетной схемы, выходящий или выводимый в космос посредством вертикального или горизонтального старта и возвращающийся из космоса, совершая горизонтальную посадку (см. «Вести ДОСААФ» от 21.08.2021 № 16/110).
По сути ВКС — это многоразовый воздушно-космический аппарат, но дело не в названии, а в сложностях совмещения в одном изделии свойств самолета и космического корабля.
В зависимости от способа вывода в космос ВКС подразделяются на космопланы и космолеты. Космоплан — это ВКС, который выходит в космос, используя, кроме энергии своих двигателей, также и энергию ракеты-носителя или самолета-носителя, выполняющего роль разгоняющей платформы и «площадки» для старта.
К настоящему времени космопланы уже летали в космос и возвращались «по-самолетному» на Землю. В качестве примеров можно назвать советский «Буран» и американский «Спейс Шаттл», а из недавно летавших (11 июля 2021 г.) — суб­орбитальный космоплан Unity миллиардера Р. Брэнсона.
Сегодня всё чаще можно прочесть или услышать высказывания специалистов, что пора сменить космоплан на космолет (одноступенчатый воздушно-космический крылатый ЛА), летающий за счет энергии собственных разнотипных силовых установок или одной комбинированной силовой установки. Однако сторонники космолетов не перестают сетовать на главное препятствие на пути технической реализации космолетов — отсутствие эффективных двигателей для силовых установок ВКС этого типа.
Большинство специалистов считают, что космолет должен иметь одну комбинированную силовую установку (КСУ). По замыслу конструкторов, в начале полета КСУ будет использовать кислород из атмосферы (при воздушно-реактивном режиме работы), а затем она перейдет на ракетный режим.
Здесь уместно вспомнить, что так же предполагали и в Великобритании — третьей стране, где озаботились в 1980-х годах созданием ВКС. Задумка у англичан для того времени была амбициозна — создать космолет и тем самым утереть нос янки и Советам, занимавшимся тогда космопланами. Изначально планировалось, что космолет будет взлетать с разгонной аэродромной тележки. Тут нельзя не заметить нестыковку: в этой части проекта у разработчиков обозначился отход от принципа космолета, который должен использовать для полета только собственную энергию. Далее предполагалось, что комбинированный двигатель, установленный на HOTOL (так британцы назвали свой суперВКС), будет работать до высоты 28 км в воздушно-реактивном режиме, после чего перейдет в режим жидкостного ракетного двигателя (ЖРД). Однако ряд проблем заставил фирму British Aerospace (главного разработчика космолета) вступить в 1991 году в кооперацию с СССР. Англичане решили оснастить аппарат советскими ЖРД и запускать его с модифицированного самолета Ан-225. Таким образом, в начале 1990-х годов в Англии отказались от идеи космолета и перешли к проекту космоплана, но и он был аннулирован в том же 1991 году из-за распада СССР.

Британский космолет HOTOL и советский самолет Ан-225

Но почему всё-таки англичане потерпели фиаско при разработке HOTOL? Дело в том, что его конструкторы сделали ставку на высокую эффективность и экономичность воздушно-реактивного двигателя (ВРД), который конструктивно входил в разрабатываемый ими комбинированный двигатель. При воздушно-реактивном режиме полета, как считали разработчики, космолет подобно самолету будет использовать забортный воздух для окисления и создания подъемной силы. Но нужно было учитывать, что путь в космос у космолета пологий и потому более длинный, чем у стартующей вертикально ракеты. Во время полета по наклонной траектории на космолет действует лобовое сопротивление и аэродинамический нагрев. Принимая эти два обстоятельства во внимание, разработчики стали проектировать корпус аппарата прочным и теплозащищенным. Как следствие, вес конструкции стал расти. Тут еще и крылья (заметим, что этого элемента у ракеты нет) добавили веса. Разумеется, HOTOL потребовался более мощный и более тяжелый двигатель. Габариты космолета тоже выросли — более 70 м в длину. Правда, тяга двигателя космолета в воздушно-реактивном режиме требовалась относительно небольшая – 20 % веса аппарата, но двигатель-то отяжелел не только по причине увеличения мощности, но и из-за того, что в нем были заложены еще и функции ЖРД, благодаря которым уже набравший вес космолет должен пролететь безатмосферный участок полета. Между тем заказчик, которого всё время ставили в известность о неудержимом росте стоимости проекта, стал задумываться, а надо ли строить такое огромное и затратное изделие ради доставки в космос восьми тонн полезной нагрузки, как оговаривалось в техническом задании?
Конечно, кроме проблем с весом и габаритами, были и другие противоречия, которые не удалось разрешить британским разработчикам. Так, в ходе проектно-конструкторских работ над HOTOL конструкторы постепенно пришли к выводу, что использование традиционных ракет для полетов в космос пока выгоднее применения многоразового космолета.

Вариант комбинированной силовой установки.jpg

Оглядываясь в прошлое, можно сказать, что постройка космолета в расчете на возможности имевшихся тогда ВРД была ошибочна. А как обстоит дело сейчас? Для ответа на этот вопрос коснемся теории ВРД. В ней говорится, что сегодня существует множество типов ВРД и каждый из них эффективен только в своем диапазоне скоростей. Так, турбореактивный двигатель (ТРД) отлично работает в диапазоне от нуля до трех чисел Маха (М). При больших скоростях воздух в воздухозаборнике ТРД становится настолько горячим, что дальнейшее его сжатие компрессором и горение топливной смеси в камере сгорания повышают температуру в двигателе выше пределов термостойкости компрессора и турбины. Другой тип ВРД — прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД) и гиперзвуковой ПВРД (отличается сверхзвуковым течением газа в камере сгорания) отлично работают на скоростях больше трех М, однако совершенно неэффективны на малых скоростях. Зато в них нет компрессора и турбины. Им для эффективной работы нужен большой скоростной напор воздуха, который достигается при сверхзвуковых скоростях полета. Обеспечить сверхзвуковую скорость аппарату может ТРД, и только после этого включится ПВРД, и, наконец, после выхода в разреженную атмосферу заработает ЖРД, который разгонит космолет до первой космической скорости. Но три разнотипных двигателя на космолете — это вес, который делает аппарат неконкурентоспособным по отношению к космопланам и ракетным космическим кораблям. Поэтому во всех странах, где занимаются проектированием космолетов, берут за основу силовой установки комбинированный двигатель, который способен придать космолету сверхзвуковую, гиперзвуковую и первую космическую скорости.
Итак, мы уяснили, что современный комбинированный реактивный двигатель не может обойтись без важнейшей составной части — прямоточного ВРД. Сжатие воздуха производится в воздухозаборнике комбинированного двигателя за счет кинетической энергии набегающего потока воздуха. Максимальная скорость при использовании ПВРД соответствует 5 – 6 М, а при использовании ГПВРД – 10 М. ПВРД и даже ГПВРД — самые простые среди всех типов ВРД по конструкции. Проблема до 2000-х годов была только в том, что эти двигатели работают при высокой температуре и большом давлении. Но ПВРД не может включиться в работу без наличия на космолете разгонного ускорителя (ТРД или другого реактивного двигателя). Отсюда и получается схема комбинированного двигателя для космолета: ТРД + ПВРД (ГПВРД) + ЖРД. Эффективные комбинированные двигатели стали возможны только сейчас вследствие наличия в настоящее время новых материалов и технологий, позволяющих построить их достаточно компактными.
После 2015 года в СМИ регулярно появляются сообщения о постройке в России, США, Китае и других странах комбинированных двигателей. Теперь справедливо ожидать сообщения, что в такой-то стране построен первый в мире космолет и он совершил первый полет.
Сергей Елисеев.