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

Мир-кольцо Мир-кольцо

Земли в форме бублика: добро пожаловать на обруч и пончик

Популярная механика
Валерий Гаркалин: «Моя будущая жена подумала, что я от нее сбежал» Валерий Гаркалин: «Моя будущая жена подумала, что я от нее сбежал»

«Мы не копили деньги, я не дарил Кате бриллианты и шубы»

Коллекция. Караван историй
Любой каприз Любой каприз

Компьютерный дизайн материалов

Популярная механика
На радиоволне На радиоволне

Стильные и атмосферные апартаменты в здании бывшего НИИ радиосвязи

Идеи Вашего Дома
Как спрятать голову в железо Как спрятать голову в железо

История доспехов в европейском Средневековье и технология воссоздания в наши дни

Популярная механика
Исторический роман о жизни великого мудреца. Йохи Брандес: «Сад Акивы» Исторический роман о жизни великого мудреца. Йохи Брандес: «Сад Акивы»

Глава из исторического романа об особом периоде в истории еврейского народа

СНОБ
Целого мира мало Целого мира мало

Человечеству грозит дефицит самых простых минеральных ресурсов

Популярная механика
Может ли археология стать вашим хобби: ученый объяснил, как искать древности по всем правилам Может ли археология стать вашим хобби: ученый объяснил, как искать древности по всем правилам

Разрешает ли закон искать старинные монеты у себя на даче?

ТехИнсайдер
Проект Guido Проект Guido

Ничего подобного в России прежде не строили

Популярная механика
Автор книги «Эксплейнер по современной философии» — о призраках и медиа Автор книги «Эксплейнер по современной философии» — о призраках и медиа

Может ли философия излечить душевные раны? Отвечает Максимилиан Неополитанский

РБК
Марс, пульс, температура Марс, пульс, температура

Зонд InSight: заглянуть внутрь Марса

Популярная механика
Пять чувств Пять чувств

Эта музыка ускользает от жанров, но откликается словам «свобода» и «ветер»

Seasons of life
Разные гвозди Джона Бисби Разные гвозди Джона Бисби

Уверенной рукой художник сплетает самые разнообразные гвозди

Популярная механика
Игрушка за $10 тысяч и аксессуары дороже одежды: кто и почему скупает старые куклы Barbie Игрушка за $10 тысяч и аксессуары дороже одежды: кто и почему скупает старые куклы Barbie

Рассказ «дилера» c тридцатилетним стажем о перепродаже старых кукол Barbie

VC.RU
Главный дровосек планеты Главный дровосек планеты

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

Популярная механика
Мужчину из развалин древнего городища Рока-Веккья пронзили клинковым оружием Мужчину из развалин древнего городища Рока-Веккья пронзили клинковым оружием

Что обнаружили ученые среди останков во время раскопок поселения Рока-Веккья

N+1
Межпланетная картография Межпланетная картография

Как реконструировать ключевые детали на поверхности далекой планеты

Популярная механика
Большая маленькая душа Большая маленькая душа

Seville и Nick Riin: об удачном творческом союзе и о жизненном пути каждого

OK!
Ураганная энергия Ураганная энергия

Как направить в мирное русло энергию ураганов

Популярная механика
Аллергия на солнце. Мифы, факты и способы лечения Аллергия на солнце. Мифы, факты и способы лечения

Что делать, если после загара покрываешься не шоколадным цветом, а сыпью?

Лиза
Полет бумеранга Полет бумеранга

Гибрид самолета, вертолета, конвертоплана и автожира

Популярная механика
Как избавиться от запаха гари в доме: 8 простых лайфхаков Как избавиться от запаха гари в доме: 8 простых лайфхаков

Лайфхаки, которые помогут справиться с неприятным запахом гари

VOICE
Зоопарк болезней Зоопарк болезней

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

Популярная механика
12 причин, по которым люди не хотят связываться с электромобилями 12 причин, по которым люди не хотят связываться с электромобилями

Что сдерживает продажи электромобилей, и что нужно сделать, чтобы это устранить

4x4 Club
Техпарад Техпарад

Новости мира науки

Популярная механика
Ревень Ревень

Чем полезен ревень и что из него можно приготовить?

Здоровье
Нобелевская кухня Нобелевская кухня

Как с помощью скотча получить графен в домашних условиях

Популярная механика
Все, везде и сразу Все, везде и сразу

Как избежать «синдрома упущенного лета» и просто получать от него удовольствие

Grazia
Моментальная угроза Моментальная угроза

Межконтинентальные баллистические ракеты

Популярная механика
Самый дорогой роман Толстого и долги Достоевского: сколько зарабатывали писатели Самый дорогой роман Толстого и долги Достоевского: сколько зарабатывали писатели

Какие суммы зарабатывали писатели-классики литературным трудом

Forbes
Открыть в приложении