Слово “космонавтика” со времен Королева и Гагарина подразумевает огромные космодромы и одноразовые ракеты. Ну ладно, не всегда одноразовые — но даже многоразовые ракетные ступени Илона Маска каждый раз надо привезти, собрать в специальном цеху, установить на специальный стартовый стол, заправить, проверить — и только после этого запустить. Не удивительно, что космонавтика — очень дорогое удовольствие и массовое промышленное освоение ресурсов космоса даже сейчас кажется туманной перспективой далеко не ближайшего будущего.
Что же может заменить ракеты? Многоразовая аэрокосмическая система. Эта идея не нова: после появления самолета Ан-225 Мрия на его основе проектировалось множество аэрокосмических систем, о чем можно узнать из мемуаров Анатолия Вовнянко, участвовавшего в его создании. Самая интересная из них — МАКС-М:
Самым важным преимуществом данного варианта является полная многоразовость. В качестве первой ступени выступает самолет. Это исключает необходимость в специальном космодроме — им может стать любой аэродром, способный принять Ан-225. Сам самолет может в течение всего срока эксплуатации осуществить десятки тысяч запусков космопланов.
Космоплан, рассчитанный на использование с Ан-225, может весить до 275 тонн. По предварительным рассчетам, полностью многоразовый вариант может вывести на низкую околоземную орбиту от 5,5 тонн на широте 51° до 7 тонн на экваторе. В случае неполной загрузки можно запускать космоплан недалеко от стартового аэродрома (например, на территории Украины или над Черным морем), а если нужно завезти на орбиту именно 7 тонн — самолет может прилететь на экватор и произвести запуск уже там.
Разделение самолета и космоплана происходит на высоте 10 км и скорости 236 м/с (850 км/ч). Чтобы плавно отделить тяжелый космоплан, находящийся на спине самолета, нужно создать небольшую отрицательную перегрузку. Самолет для этого делает примерно такую “горку”:
и на ней космоплан отделяется. После чего самолет возвращается на аэродром, а космоплан, имея начальную скорость, начинает горизонтальный разгон. Именно горизонтальный: космоплан обладает аэродинамическим качеством и чем больше горизонтальная скорость в атмосфере — тем больше подъемная сила. К тому же, для выхода на орбиту надо развить именно горизонтальную скорость 8 км/с. Кинетическая энергия для скорости:
Но на высоте 10 км на орбиту не выйдешь: мешает атмосфера. Для стабильной низкой орбиты надо набрать 200 км. Потенциальная энергия для высоты (градиентом g по высоте пренебрегаем, так как нам важно лишь оценить порядок):
Оценим соотношение энергии горизонтального разгона и вертикального подъема:
Если подставить числа, получим, что энергия для набора высоты 200 км примерно в 16 раз меньше, чем для набора горизонтальной скорости 8 км/с. Так что важнее всего именно горизонтальный разгон, при котором большую часть работы по подъему сделает аэродинамика.
На космоплан можно ставить обычные, давно отработанные и выпускаемые ракетной промышленностью, кислород-керосиновые ракетные двигатели. При этом тяга двигателей нужна в разы меньшая, чем в случае обычной ракеты вертикального взлета: гравитацию прямо преодолевать не нужно, космоплан обладает аэродинамическим качеством и его поддерживает в воздухе подъемная сила. Опять же, чем больше горизонтальная скорость (которую и так надо набирать) — тем сильнее атмосфера будет выталкивать космоплан в космос.
Оказавшись в космосе, космоплан оставляет на орбите контейнер с грузом. Дальше в космосе грузы лучше всего тащить орбитальными буксирами на электрореактивных установках с ядерным реактором. При тяге порядка 1-2 Ньютона, годящейся только для ускорения в невесомости и космическом вакууме, они обеспечивают очень высокий удельный импульс. Если химический двигатель дает струю до 5 км/с, то электрореактивный ускоритель может разгонять ионы до 300 км/с — то есть, в 60 раз эффективнее. Впрочем, что делать в самом космосе — тема для отдельной статьи, и не одной.
После выполнения задачи, космоплан сходит с орбиты и возвращается в атмосферу. Он уже пустой и сравнительно легкий, но по-прежнему обладает аэродинамическим качеством. Это означает, что сход с орбиты будет куда более плавным, чем баллистический спуск обычных спускаемых аппаратов. Космоплан при этом должен иметь специальную форму для более плавного спуска, чем у шаттлов и Бурана. Это уменьшит (если не устранит) нужду в теплозащите — и связанных с ней расходниках и обслуживании.
Сесть космоплан может на аэродроме, с которого будет его следующий полет в космос. Там же пройти техобслуживание и погрузку груза. После чего пустой космоплан (то есть, массой в пределах 100 тонн) погружают автокраном на спину Ан-225, заправляют вместе с самолетом — и в новый рейс. Теоретически, один Ан-225 может запускать по космоплану каждые 4-6 часов, а то и чаще. То есть, по 20-30 тонн на орбиту в сутки, и так каждый день. Когда космопланы начнут стабильно летать на орбиту каждые несколько часов, можно будет уже уверенно говорить о промышленном освоении космоса.
Такая частота запусков и такой интенсивный режим эксплуатации возможны только если полностью исключить одноразовые компоненты типа разгонных блоков или внешнего топливного бака. Также нужно минимизировать расходники, в идеале чтобы каждый раз расходовался только керосин и жидкий кислород. Описанная аэрокосмическая система использует те же аэродромы и даже тот же керосин, что и обычная авиация. Любой аэродром, способный принимать Ан-225, легко может стать космодромом. Есть и отличия от обычной авиации, но они хорошо укладываются в рамки аэродромной инфраструктуры: загрузка космоплана на Ан-225 автокраном, заправка жидким кислородом и техобслуживание космоплана в аэродромных ангарах, которое, опять же, не должно быть намного сложнее самолетного.
Самолет Ан-225 уже 30 лет существует в летающем экземпляре. Кроме того, есть еще один недостроенный экземпляр, который можно достроить специально для нужд аэрокосмической программы. Готового космоплана пока нет — и это даже хорошо, так как позволит спроектировать с нуля новую конструкцию, максимально оптимизированную под воздушный старт с самолета-носителя и интенсивную эксплуатацию с минимумом расходников и обслуживания. Большинство необходимых для такой аэрокосмической программы компонентов можно производить в пределах Украины.
Кроме полетов в космос, открывается еще одна не менее заманчивая перспектива: суборбитальные авиалинии. После отработки технологии на орбитальных пусках, можно будет применить ее уже для сверхскоростных пассажирских и почтовых перевозок. Полет космоплана по суборбитальной траектории в любую точку мира займет по времени не больше часа. Хотите за час летать с Европы в Южную Америку или Австралию, испытывая невесомость?
На участке 1 космоплан разгоняется на своих двигателях до скорости, достаточной для выхода на суборбитальную траекторию. На участке 2 он летит через космос в невесомости, которую чувствуют пассажиры. На участке 3 происходит аэродинамическое торможение, после чего происходит посадка в целевом аэропорту.
Космоплан, совместимый с Ан-225, может вместить до 60 пассажиров при суборбитальном полете. Если удастся при этом добиться “самолетной” простоты эксплуатации аэрокосмической системы, билеты будут стоить ненамного дороже обычных самолетов: за 15 часов, вместо обычного дальнего полета с пассажирами, Ан-225 может успеть запустить несколько суборбитальных космопланов, суммарно везущих соизмеримое количество пассажиров. Вопрос лишь в скорости предстартовых операций, которую можно постепенно увеличивать (разумеется, не в ущерб безопасности). В точке назначения должен быть другой Ан-225, запускающий космопланы в обратный рейс.
Такая система будет легко разворачиваться и сворачиваться в любом аэропорту мира: достаточно на самом же Ан-225 завезти туда автокран для погрузки космоплана и портативное оборудование для сжижения кислорода, которым заправляют космоплан. Дорогая, сложная и долгая в постройке стационарная инфраструктура (как на космодромах для обычных ракет) не нужна.
Полностью многоразовая аэрокосмическая система может не только открыть эпоху промышленного освоения космоса, но и сделать возможными полеты в самую дальнюю точку Земли за час.
UPD: в комментариях упоминали частично многоразовый вариант МАКС с внешним топливным баком. Система с внешним баком по рассчетам выведет на экваторе 19,5 тонн, а полностью многоразовая — 7 тонн. Ну и что? За время более сложной предстартовой подготовки системы с внешним баком можно как раз успеть 3 или больше раза подготовить и запустить многоразовый космоплан. У которого, кстати, грузовой отсек намного больше, то есть, можно выводить более габаритные грузы.
Также обсуждалось то, что дозвуковой самолет-носитель даст очень мало начальной скорости. Что крылья выводить в космос — это уменьшение полезной массы Но ключевое преимущество описанной системы — не в начальной скорости космоплана, и не в выводимой массе. Ключевое преимущество — почти самолетная простота и скорость подготовки к запуску, минимизация сложности необходимого оборудования. Опять же, можно вместо одного запуска одноразового или частично многоразового носителя провести несколько запусков многоразовой системы. Из-за минимизации издержек на каждый старт это будет выгоднее.
UPD2: возможно, сжиженный метан будет более подходящим топливом для космоплана, чем керосин. Криогеника жидкого метана и кислорода примерно одинаковая, так что это ненамного усложнит систему. Лучше всего поставлять топливо по железной дороге, проложив рельсы прямо на заправочную площадку аэродрома.
UPD3: в комментариях шла речь о сложности обслуживания космоплана и Шаттл приводился как пример невозможности ее уменьшить. Однако у Шаттла стартовая масса была 2030 тонн, при этом он имел одноразовый внешний бак и условно многоразовые ускорители, которые еще надо словить в океане, привезти и заправить. Система с Шаттлом требовала сборки в специальном цеху и стартовый стол с вывозом на него. А сборка описанной системы сводится к погрузке космоплана на спину Ан-225 автокраном.
Насчет сложности в обслуживании самого Шаттла главная проблема — двигатели тягой 541 тонн. На космоплане горизонтального старта массой 275 тонн их тяга может быть знчительно меньшей. Возможно даже меньшей, чем масса космоплана, так как работу по преодолению гравитации делает подъемная сила. Меньше тяга — меньше вибрации — проще обслуживание космоплана между полетами.
UPD4: космоплан на самолет должен погружаться автокраном.
Пустой космоплан весит меньше 100 тонн — а эта масса доступна даже серийным автокранам. Стабилизации и поворотам космоплана во время подъема могут помогать гиродины самого космоплана (преднанзаченные для поворотов вокруг своей оси на орбите).
На спине Ан-225 на внешние крепления должен быть специальный переходник для крепления космопланов. В нем — «колеи» для шасси космоплана. Когда автокран погружает и отпускает космпоплан, шасси становятся точно в нужном положении, после чего фиксируются дополнительные крепления. После окончательной фиксации происходит заправка и взлет.
Что же может заменить ракеты? Многоразовая аэрокосмическая система. Эта идея не нова: после появления самолета Ан-225 Мрия на его основе проектировалось множество аэрокосмических систем, о чем можно узнать из мемуаров Анатолия Вовнянко, участвовавшего в его создании. Самая интересная из них — МАКС-М:
Самым важным преимуществом данного варианта является полная многоразовость. В качестве первой ступени выступает самолет. Это исключает необходимость в специальном космодроме — им может стать любой аэродром, способный принять Ан-225. Сам самолет может в течение всего срока эксплуатации осуществить десятки тысяч запусков космопланов.
Космоплан, рассчитанный на использование с Ан-225, может весить до 275 тонн. По предварительным рассчетам, полностью многоразовый вариант может вывести на низкую околоземную орбиту от 5,5 тонн на широте 51° до 7 тонн на экваторе. В случае неполной загрузки можно запускать космоплан недалеко от стартового аэродрома (например, на территории Украины или над Черным морем), а если нужно завезти на орбиту именно 7 тонн — самолет может прилететь на экватор и произвести запуск уже там.
Разделение самолета и космоплана происходит на высоте 10 км и скорости 236 м/с (850 км/ч). Чтобы плавно отделить тяжелый космоплан, находящийся на спине самолета, нужно создать небольшую отрицательную перегрузку. Самолет для этого делает примерно такую “горку”:
и на ней космоплан отделяется. После чего самолет возвращается на аэродром, а космоплан, имея начальную скорость, начинает горизонтальный разгон. Именно горизонтальный: космоплан обладает аэродинамическим качеством и чем больше горизонтальная скорость в атмосфере — тем больше подъемная сила. К тому же, для выхода на орбиту надо развить именно горизонтальную скорость 8 км/с. Кинетическая энергия для скорости:
Но на высоте 10 км на орбиту не выйдешь: мешает атмосфера. Для стабильной низкой орбиты надо набрать 200 км. Потенциальная энергия для высоты (градиентом g по высоте пренебрегаем, так как нам важно лишь оценить порядок):
Оценим соотношение энергии горизонтального разгона и вертикального подъема:
Если подставить числа, получим, что энергия для набора высоты 200 км примерно в 16 раз меньше, чем для набора горизонтальной скорости 8 км/с. Так что важнее всего именно горизонтальный разгон, при котором большую часть работы по подъему сделает аэродинамика.
На космоплан можно ставить обычные, давно отработанные и выпускаемые ракетной промышленностью, кислород-керосиновые ракетные двигатели. При этом тяга двигателей нужна в разы меньшая, чем в случае обычной ракеты вертикального взлета: гравитацию прямо преодолевать не нужно, космоплан обладает аэродинамическим качеством и его поддерживает в воздухе подъемная сила. Опять же, чем больше горизонтальная скорость (которую и так надо набирать) — тем сильнее атмосфера будет выталкивать космоплан в космос.
Оказавшись в космосе, космоплан оставляет на орбите контейнер с грузом. Дальше в космосе грузы лучше всего тащить орбитальными буксирами на электрореактивных установках с ядерным реактором. При тяге порядка 1-2 Ньютона, годящейся только для ускорения в невесомости и космическом вакууме, они обеспечивают очень высокий удельный импульс. Если химический двигатель дает струю до 5 км/с, то электрореактивный ускоритель может разгонять ионы до 300 км/с — то есть, в 60 раз эффективнее. Впрочем, что делать в самом космосе — тема для отдельной статьи, и не одной.
После выполнения задачи, космоплан сходит с орбиты и возвращается в атмосферу. Он уже пустой и сравнительно легкий, но по-прежнему обладает аэродинамическим качеством. Это означает, что сход с орбиты будет куда более плавным, чем баллистический спуск обычных спускаемых аппаратов. Космоплан при этом должен иметь специальную форму для более плавного спуска, чем у шаттлов и Бурана. Это уменьшит (если не устранит) нужду в теплозащите — и связанных с ней расходниках и обслуживании.
Сесть космоплан может на аэродроме, с которого будет его следующий полет в космос. Там же пройти техобслуживание и погрузку груза. После чего пустой космоплан (то есть, массой в пределах 100 тонн) погружают автокраном на спину Ан-225, заправляют вместе с самолетом — и в новый рейс. Теоретически, один Ан-225 может запускать по космоплану каждые 4-6 часов, а то и чаще. То есть, по 20-30 тонн на орбиту в сутки, и так каждый день. Когда космопланы начнут стабильно летать на орбиту каждые несколько часов, можно будет уже уверенно говорить о промышленном освоении космоса.
Такая частота запусков и такой интенсивный режим эксплуатации возможны только если полностью исключить одноразовые компоненты типа разгонных блоков или внешнего топливного бака. Также нужно минимизировать расходники, в идеале чтобы каждый раз расходовался только керосин и жидкий кислород. Описанная аэрокосмическая система использует те же аэродромы и даже тот же керосин, что и обычная авиация. Любой аэродром, способный принимать Ан-225, легко может стать космодромом. Есть и отличия от обычной авиации, но они хорошо укладываются в рамки аэродромной инфраструктуры: загрузка космоплана на Ан-225 автокраном, заправка жидким кислородом и техобслуживание космоплана в аэродромных ангарах, которое, опять же, не должно быть намного сложнее самолетного.
Самолет Ан-225 уже 30 лет существует в летающем экземпляре. Кроме того, есть еще один недостроенный экземпляр, который можно достроить специально для нужд аэрокосмической программы. Готового космоплана пока нет — и это даже хорошо, так как позволит спроектировать с нуля новую конструкцию, максимально оптимизированную под воздушный старт с самолета-носителя и интенсивную эксплуатацию с минимумом расходников и обслуживания. Большинство необходимых для такой аэрокосмической программы компонентов можно производить в пределах Украины.
Кроме полетов в космос, открывается еще одна не менее заманчивая перспектива: суборбитальные авиалинии. После отработки технологии на орбитальных пусках, можно будет применить ее уже для сверхскоростных пассажирских и почтовых перевозок. Полет космоплана по суборбитальной траектории в любую точку мира займет по времени не больше часа. Хотите за час летать с Европы в Южную Америку или Австралию, испытывая невесомость?
На участке 1 космоплан разгоняется на своих двигателях до скорости, достаточной для выхода на суборбитальную траекторию. На участке 2 он летит через космос в невесомости, которую чувствуют пассажиры. На участке 3 происходит аэродинамическое торможение, после чего происходит посадка в целевом аэропорту.
Космоплан, совместимый с Ан-225, может вместить до 60 пассажиров при суборбитальном полете. Если удастся при этом добиться “самолетной” простоты эксплуатации аэрокосмической системы, билеты будут стоить ненамного дороже обычных самолетов: за 15 часов, вместо обычного дальнего полета с пассажирами, Ан-225 может успеть запустить несколько суборбитальных космопланов, суммарно везущих соизмеримое количество пассажиров. Вопрос лишь в скорости предстартовых операций, которую можно постепенно увеличивать (разумеется, не в ущерб безопасности). В точке назначения должен быть другой Ан-225, запускающий космопланы в обратный рейс.
Такая система будет легко разворачиваться и сворачиваться в любом аэропорту мира: достаточно на самом же Ан-225 завезти туда автокран для погрузки космоплана и портативное оборудование для сжижения кислорода, которым заправляют космоплан. Дорогая, сложная и долгая в постройке стационарная инфраструктура (как на космодромах для обычных ракет) не нужна.
Полностью многоразовая аэрокосмическая система может не только открыть эпоху промышленного освоения космоса, но и сделать возможными полеты в самую дальнюю точку Земли за час.
UPD: в комментариях упоминали частично многоразовый вариант МАКС с внешним топливным баком. Система с внешним баком по рассчетам выведет на экваторе 19,5 тонн, а полностью многоразовая — 7 тонн. Ну и что? За время более сложной предстартовой подготовки системы с внешним баком можно как раз успеть 3 или больше раза подготовить и запустить многоразовый космоплан. У которого, кстати, грузовой отсек намного больше, то есть, можно выводить более габаритные грузы.
Также обсуждалось то, что дозвуковой самолет-носитель даст очень мало начальной скорости. Что крылья выводить в космос — это уменьшение полезной массы Но ключевое преимущество описанной системы — не в начальной скорости космоплана, и не в выводимой массе. Ключевое преимущество — почти самолетная простота и скорость подготовки к запуску, минимизация сложности необходимого оборудования. Опять же, можно вместо одного запуска одноразового или частично многоразового носителя провести несколько запусков многоразовой системы. Из-за минимизации издержек на каждый старт это будет выгоднее.
UPD2: возможно, сжиженный метан будет более подходящим топливом для космоплана, чем керосин. Криогеника жидкого метана и кислорода примерно одинаковая, так что это ненамного усложнит систему. Лучше всего поставлять топливо по железной дороге, проложив рельсы прямо на заправочную площадку аэродрома.
UPD3: в комментариях шла речь о сложности обслуживания космоплана и Шаттл приводился как пример невозможности ее уменьшить. Однако у Шаттла стартовая масса была 2030 тонн, при этом он имел одноразовый внешний бак и условно многоразовые ускорители, которые еще надо словить в океане, привезти и заправить. Система с Шаттлом требовала сборки в специальном цеху и стартовый стол с вывозом на него. А сборка описанной системы сводится к погрузке космоплана на спину Ан-225 автокраном.
Насчет сложности в обслуживании самого Шаттла главная проблема — двигатели тягой 541 тонн. На космоплане горизонтального старта массой 275 тонн их тяга может быть знчительно меньшей. Возможно даже меньшей, чем масса космоплана, так как работу по преодолению гравитации делает подъемная сила. Меньше тяга — меньше вибрации — проще обслуживание космоплана между полетами.
UPD4: космоплан на самолет должен погружаться автокраном.
Пустой космоплан весит меньше 100 тонн — а эта масса доступна даже серийным автокранам. Стабилизации и поворотам космоплана во время подъема могут помогать гиродины самого космоплана (преднанзаченные для поворотов вокруг своей оси на орбите).
На спине Ан-225 на внешние крепления должен быть специальный переходник для крепления космопланов. В нем — «колеи» для шасси космоплана. Когда автокран погружает и отпускает космпоплан, шасси становятся точно в нужном положении, после чего фиксируются дополнительные крепления. После окончательной фиксации происходит заправка и взлет.