Идея отправиться в космос не с помощью вертикально запускаемой ракеты, а горизонтально «по-самолётному», не нова. Всегда считалось, что летать за пределы земной атмосферы и возвращаться на космическом самолёте гораздо выгоднее и дешевле классических способов покорения космоса. Всё это заставляло конструкторов ломать голову над самыми экзотическими схемами с одной лишь целью — превратить самолёт в космический корабль или наоборот, обманув при этом законы физики и экономики.

И если с появлением космических шаттлов проблему возвращения с орбиты путём обычной самолётной посадки решить удалось, что стало новой вехой в космонавтике, то горизонтальный космический старт с Земли осуществить пока не вышло. Впрочем, ключевое слово здесь «пока».

Первый блин

Сама идея самолётного старта остаётся настолько заманчивой, что в последние три десятилетия над ней активно работает целый ряд аэрокосмических компаний и стартапов.

Первый относительно жизнеспособный проект в этой области появился в 1990-х годах, когда НАСА и Lockheed Martin разработали экспериментальный космический самолёт, призванный стать экономически эффективной альтернативой дорогостоящим ракетам.

Космический самолёт, получивший название X-33 Lockheed Martin X-33 — NASA, основан на концепции SSTO, обозначающей одноступенчатый выход на орбиту.

Демонстрирующий передовые технологии SSTO X-33 Venture Star — NASA исключает необходимость в ступенях, когда ракета стартует с несколькими блоками, состоящими из двигателей и топливных ёмкостей, которые во время полёта опорожняют баки для снижения веса. Вместо этого предпочтение отдаётся полностью многоразовому космическому кораблю.

X-33 разработан для вертикального запуска как ракета и посадки на взлётно-посадочную полосу как самолёт с целью снижения стоимости отправки фунта полезного груза на орбиту с десяти до одной тысячи долларов.

Сверхновая

Впрочем, воплотиться во что-то конкретное X-33 так и не смог. В 2001 году программа закрыта из-за технических трудностей, пополнив длинный список аналогичных нереализованных проектов.

«Мы отказались от программы, поскольку в соответствии с нашими оценками она обойдётся дороже, чем мы рассчитывали. Тогда мы находились на грани технологических возможностей, чтобы реализовать её», — вспоминает Ливингстон Холдер, инженер по аэрокосмической технике, бывший астронавт ВВС США и руководитель программы X-33, а ныне технический директор Radian Aerospace — стартапа из Сиэтла, который он основал в 2016 году с целью возродить мечту о SSTO.

И всё же Холдер не смог расстаться с идеей, которую ему так и не удалось реализовать в рамках НАСА под крылом всемогущего аэрокосмического гиганта Lockheed Martin. По прошествии более чем двух десятилетий бывший руководитель X-33 вновь намерен войти в ту же реку, только с новыми технологиями и подходом.

«С X-33 всё кардинально изменилось: у нас есть композитные материалы, которые легче, прочнее и могут выдерживать больший тепловой диапазон, чем тогда. Двигательная установка у нас сегодня лучше той, что была тогда: с более высокой эффективностью сжигания топлива. Удалось снизить вес системы», — говорит он.

Второй попыткой Холдера стал новый проект Radian One, воплотивший все последние достижения в аэрокосмической области и учитывающий все критические ошибки Х-33. Теперь это новый космический самолёт, призванный заменить традиционный вертикальный старт весьма необычной системой — санями с ракетным двигателем.

Отбросить ненужное…

Прежде чем раскрыть суть новой идеи Холдера, посмотрим на причины неудач прежних проектов космического самолёта.

В соответствии с законами физики для преодоления гравитации Земли и выхода на околоземную орбиту ракете необходимо достичь первой космической скорости — около 7,91 километра в секунду.

«Проблема заключается в том, что по мере подъёма нужно поднять не только ракету и полезную нагрузку, но и всё необходимое для этого топливо», — говорит Джеффри Хоффман, профессор аэронавтики и астронавтики Массачусетского технологического института, бывший астронавт НАСА, совершивший пять полётов на Space Shuttle.

По его словам, на топливо должно приходиться около 95% массы взлетающей ракеты, что практически не оставляет места для всего остального.

«Это была мечта — иметь возможность выйти на орбиту с одной ступенью. Но для этого структура ракеты, двигателей и полезной нагрузки не может составлять более 5% от общей массы всей системы. И мы просто не знаем, как строить такие вещи», — добавляет он.

Именно поэтому все когда-либо использовавшиеся для достижения орбиты ракеты были многоступенчатыми. В большинстве случаев их было три, лишь совсем недавно Falcon 9 от компании SpaceX Илона Маска удалось уложиться в две ступени.

«Как только вы израсходуете всё топливо из первой ступени, вместо того чтобы нести эту конструкцию с собой на орбиту, вы просто сбрасываете её. И это фактически позволяет вам брать гораздо больше полезной нагрузки для заданной массы, находящейся на стартовой площадке», — говорит Хоффман.

Традиционно отработанные ступени ракет либо падают на Землю, либо сгорают в атмосфере, либо оказываются на орбите в качестве космического мусора. Впервые изменила эту парадигму SpaceX, разработав многоразовые ускорители, способные автономно приземляться на Землю. На этом фоне возможность создания одноступенчатого космического аппарата позволит сократить расходы ещё больше, чем удалось Илону Маску.

Ракетные сани

Ноу-хау Radian заключается в кажущемся разрешении проблемы переноса в космос веса топлива, необходимого для старта и разгона ракеты.

Решение Radian — это сани с ракетным двигателем, которые движутся по почти четырёхкилометровому рельсу, разгоняясь до 0,7 Маха (864 километров в час) ещё на Земле. После этого сидящий «в санях» самолёт отсоединится от них и отправится на орбиту под действием собственных двигателей.

«Были различные попытки разработать одноступенчатые орбитальные аппараты. НАСА и ВВС пытались сделать это ещё в конце 1980-х и 1990-х годах. Они хотели обойти проблему, используя так называемый гиперзвуковой воздушно-реактивный двигатель, который поднимал бы самолёт через атмосферу и сжигал бы кислород там, вместо того чтобы нести его с собой. Это отличная идея, но технически очень сложно построить такой двигатель, — отмечает Хоффман.

То, что Radian делает со своими ракетными санями, это своего рода эквивалент гиперзвукового прямоточного двигателя. Другими словами, это попытка получить начальное ускорение без сжигания собственного запаса топлива самолётом. Так обходятся некоторые ограничения уравнения ракеты.

По стопам Space Shuttle

Компания Radian убеждена, что сможет успешно запустить SSTO благодаря трём ключевым технологиям.

Во-первых, это система запуска саней, которая использует своё топливо не только для питания трёх двигателей, но и двигателей космического самолёта, оставляя его с полным баком прямо перед взлётом.

Второе — это шасси, которое предназначено только для посадки, а не взлёта, что делает его значительно легче.

Третье — это крылья, которые отсутствуют в вертикальной ракете. В случае космического самолёта они обеспечивают подъёмную силу при полёте через атмосферу к орбите.

«Когда мы выйдем на орбиту, ближайшей аналогией, вероятно, станет Space Shuttle. У нас отсек меньше, но мы можем выполнять многие из тех же типов миссий. А когда мы летим домой, у нас более прочная композитная внешняя поверхность, что позволяет повторно использовать систему снова и снова с уменьшенными требованиями к проверкам и более быстрым временем выполнения», — говорит Холдер.

Ниша давно готова

По утверждению Radian, её космический самолёт можно будет использовать повторно до 100 раз, перевозя экипаж от двух до пяти астронавтов с 48-часовым зазором между миссиями. Как говорит Холдер, масштабная модель самолёта будет испытана в этом году, а полномасштабная версия начнёт лётные испытания без выхода на орбиту в 2028 году.

Как и Shuttle, Radian One сможет выводить на орбиту полезную нагрузку (например, спутники) или выполнять миссии с использованием находящегося в грузовом отсеке оборудования (например, наблюдение за Землёй или разведка для оборонных структур).

Про деньги

Холдер знает о скептицизме, с которым неизбежно столкнётся ещё одна попытка реализовать идею SSTO. Последним таким проектом, который не был реализован в полной мере, стал британский Skylon. Это космический самолёт на водородном топливе, который должен был взлетать с укреплённой взлётно-посадочной полосы и приземляться на Земле. Стоящая за проектом компания заявила в прошлом году, что теперь более вероятна двухступенчатая система вывода на орбиту.

«Я не критикую тех, кто размышляет, насколько жизнеспособна одноступенчатая орбитальная ракета. Мне потребовался целый год в этой программе, чтобы снова убедить себя в её жизнеспособности. Нужно просто сопоставить современные технологии с технологиями прошлого, чтобы это понять», — говорит Холдер.

Он не сомневается в успехе — по крайней мере, с технической стороны. По словам инженера, главный вопрос заключается не в том, может ли идея SSTO быть технически достижимой, а в том, будет ли данная система способна конкурировать с той же SpaceX, которая может брать сотни различных полезных грузов за один запуск и делать это относительно дёшево.

«Это всегда было причиной стремления к мечте об одноступенчатой ​​ракете: она должна быть дешевле. Надеюсь, они добьются успеха. Пока не будут продемонстрированы возможности новой системы, мы не увидим, кто подпишется на её использование», — заключает Хоффман.

• Телеграм
• Дзен
• Подписывайтесь на наши каналы и первыми узнавайте о главных новостях и важнейших событиях дня.