Космоплан

Материал из Posmotre.li
Перейти к: навигация, поиск

Космоплан — Это, как следует из названия, летательный аппарат, способный совершать управляемый полёт как в атмосфере, так и в космосе. Причем, в основном — планирующий, при возвращении из космоса. Всего лишь.

Идея космоплана будоражила умы человечества примерно так же как летающая субмарина, однако в отличие от неё это вполне-себе осуществимый проект. Зачем это нужно? Прежде всего — посадка. Просто потому, что ловить капсулы, падающие на кого бог пошлёт — космические агентства слега подзадолбало, ибо это дополнительные траты.

А что делать со взлётом? Ну, здесь есть проблема. Точнее две: двигатель, который мог бы работать и в атмосфере и в космосе — одинаково плохо делает и то и другое, а длительный набор скорости в атмосфере из-за терминальной скорости приводит к перерасходу топлива, снижая экономию на окислителе фактически до нуля. А чтобы ускорить взлет, нужно разработать гиперзвуковой двигатель, что ещё никому толком не удалось. А ведь хорошая была идея — здорово сэкономить на весе окислителя, используя при взлёте атмосферный кислород, взлетая с аэродрома! Кроме того, сам по себе взлет на крыльях интересен тем, что использует плотную атмосферу для создания подъемной силы крыла, вместо того, чтобы бороться с её сопротивлением. Более того, такой самолётик смог бы здорово облегчить взлет с других планет, обладающих атмосферой. Мда. Правда, с другой стороны, кислородная атмосфера достаточной плотности есть только на Земле. На Марсе же атмосфера слишком тонкая, и окислителя в ней фактически нет. На Венере ещё хуже — вылететь из её атмосферы — проще пареной репы. А вот выжить в этой атмосфере, которая стремится разъесть и расплющить всё на свете — уже проблематично — уже не говоря о том, что поверхность Венеры — это что-то жуткое.

Но мы не теряем надежды.

В чем проблема?[править]

Основные две проблемы которые нужно преодолеть строителям космопланов — это разогрев космического корабля от сжатия атмосферы на гиперзвуковой скорости и создания двигателя, который смог бы быть эффективным на всех режимах полёта. А это очень сложно. Например, на дозвуковой скорости наиболее эффективно прямое крыло и любое двигло, которое обеспечит самолёту скорость, достаточную для взлёта. На сверхзвуковой — уже нужно треугольное крыло (или оживальной формы, как у Ту-144), и турбореактивный двигатель. На гиперзвуковой крылья нужно укоротить, а корпус сделать похожим на утюг, иначе будет плохо. Двигатель для этого монстра будет уже прямоточным, так как компрессию воздуха обеспечивает само движение самолёта. Ну и наконец, для выхода на орбиту нужен двигатель с высокой тягой, питаемый от внутренних запасов окислителя и топлива, а для маневрирования нужны двигатели малой тяги. Таким образом, так как совместить все эти требования в одном аппарате невозможно, лишние двигатели выкинули, оставив только маршевый, малой тяги и маневровые, а к космическому кораблю, с крыльями сверхзвуковой формы (считая что при посадке атмосфера затормозит корабль до этой скорости, а дальше он уже вырулит на посадку), приделали очень большой сбрасываемый бак с топливом и окислителем. Всю эту хрень цепляли к парочке твердотопливных ускорителей и — получился шаттл.

Разница между космопланом и ракетопланом[править]

Иногда люди путают две разные вещи — космоплан и ракетоплан. Так вот, ракетоплан — это обычный самолёт, но с ракетными двигателями. Его принцип действия — полёт в атмосфере за счет разгона до очень высокой скорости с набором высоты, а затем планирующий полёт до точки назначения. На заре самолётостроения это считалось очень перспективным направлением, из-за того что делать надежные двигатели для дальних перелётов ещё не умели, а вот ракетные — уже научились. Потом умные люди, прокачавшие скилл во время второй мировой войны, придумали множество простых, надежных и мощных двигателей, и проблема отпала — а ракетопланы заняли узкую нишу испытательных самолётов для разнообразной космической начинки.

Космоплан же предназначен для космоса, а не для трансконтинентальных перелётов. В этом вся разница.

Можно ли иначе? Можно.

Попытки решения проблем.[править]

Впрочем, если бы конструкторы не пытались решать проблемы, то цивилизация не сдвинулась бы с места.

Первое поколение реально летавших космопланов – Шаттлы и Буран (называемые также челноками) - взлетало в космос вертикально, как обычные ракеты, с отделением отработанных ступеней. Таким образом, большинство вышеописанных проблем, связанных с разгоном по-самолетному в атмосфере, попросту игнорировалось. Космоплан фактически являлся последней ступенью ракеты, в атмосфере не летает, а только планирует с орбиты вниз. Поэтому он и космоплан, то есть планер, а не космолет. В чем же в таком случае выгода, если кислород воздуха не используется в качестве окислителя? Теоретически, выгода есть, и не маленькая.

1. Более мягкое торможение в атмосфере, управляемая посадка, совершаемая на взлетно-посадочную полосу, а не шмяк об поверхность, куда придется, в степь или океан. 2. Возможность повторного использования планера, чем, теоретически, достигается большая экономия. 3. Возможность возвращения с орбиты спутников и другого оборудования.

Поскольку от челноков требовалось только приземлиться, то и требования к форме корпуса и крыльев были проще (теоретически, на практике же Шаттл неплохо переусложнили в угоду военным – см. ниже), за что Шаттл иногда называют «летающим кирпичом». Двигатели, опять же, были ракетными и никак с кислородом воздуха не взаимодействовали. Что интересно, Шаттл взлетал на собственных двигателях в сочетании с боковыми твердотопливными ускорителями (большая красная штука, к которой он крепился – не ракета-носитель, а внешний бак), а Буран – на ракете-носителе Энергия.

Тем не менее, программы Шаттл и Буран в долгосрочной перспективе так и «не взлетели» (см. ниже). Хотя сама идея ракетного взлета и горизонтальной посадки никуда не делась и используется в реально летающим в настоящее время небольшом мини-шаттле Boeing X-37.

Однако у конструкторов была другая идея, известная под названием «воздушный старт». В самом деле, можно попытаться запустить космоплан не с ракеты, а с самолета-разгонщика, реализуя упомянутое выше преимущество – использование в качестве окислителя кислорода прямо из воздуха, без необходимости тащить его за собой в баках. Стоит ли затеваться с такой конструкцией, не сведет ли на нет это преимущество перерасход топлива при длительном разгоне? На самом деле, нет, так как использование кислорода воздуха в качестве окислителя – далеко не единственный бонус.

1. Более комфортные перегрузки для пилотов. 2. Взлетать можно с обычной взлетно-посадочной полосы, без стартового стола. 3. Вся система может самостоятельно перебазироваться с одного аэродрома на другой. 4. В полете можно выбрать любое направление и широту, и, соответственно, выбирать любое наклонение орбиты. 5. Самолет-разгонщик и космоплан в полете разделяются. То есть, фактически, имеем многоступенчатую систему, в которой разгонщик является первой ступенью. Соответственно, с точки зрения формулы Циолковского осуществление такой системы гораздо проще, чем взлет настоящего одноступенчатого космолета. 6. И разгонщик, и космоплан должны приземляться на взлетно-посадочные посадочные полосы и использоваться многократно. Отсюда колоссальная экономия. Одноразовые элементы остались: например, сбрасываемые ракетные ускорители или внешние топливные баки космоплана, играющие роль второй-третьей ступеней. Но их намного меньше, чем при классическом ракетном запуске. 7. Фактически, нам не нужно проектировать аппарат, способный одинаково хорошо летать и в атмосфере, и в вакууме. У нас есть два совершенно разных самолета, между которыми осуществляется разделение труда и которые проектируются, исходя каждый из своей специализации. В частности, самолету-разгоннику не нужны ракетные двигатели и мощная теплозащита, а космоплану – большие крылья и воздушные турбины (потому что зачем они в вакууме?).

Основных проблем тут две. Во-первых, полезный груз при таком старте значительно ограничен по массе, габаритам и способности выдерживать горизонтальные и вертикальные перегрузки одновременно. Во-вторых, сложности возникают с разработкой самолета-разгонщика.

Для начала нужно было разобраться с теплозащитой самого планера. Для начала придумали «горячую схему». Один из первых проектов, нереализованный американский X-20 Dyna-Soar должен был покрываться крайне тугоплавкими металлическими сплавами. При входе в атмосферу покрытие должно было раскаляться докрасна. Если кто-то забыл физику, то напоминаем, что теплопередача может осуществляться и через излучение. Именно свечение должно было отводить лишнюю температуру от корпуса. Похожая схема была на советской «Спирали» - снизу крепился теплозащитный экран, выполненный из пластин тугоплавкого сплава, расположенных по принципу "рыбной чешуи". Экран подвешивался на керамических подшипниках, благодаря которым температурные напряжения снимались за счет подвижности экрана относительно корпуса. Впоследствии была предложена и реально осуществлена более простая схема на основе силикатных или керамических теплозащитных плиток. Забавный факт – среди разработчиков такого покрытия для Бурана оказался будущий музыкант Сергей Летов.

Сложнее оказалось с температурой воздуха, поступающего в воздухозаборник гиперзвукового движка разгонщика – за счет сжатия она достигала полутора тысяч градусов. В общем и целом, идеи, как остудить настолько горячую массу воздуха, сводились к следующему. В качестве топлива для гиперзвукового самолета наиболее перспективным оказались жидкий водород или жидкий метан. Поскольку температура кипения этих газов очень низка, их можно было бы использовать в качестве охладителя корпуса, а также закачивать в теплообменник двигателя. При этом горячий воздух терял температуру и мог быть разделен на кислород и примеси, а водород (или метан), наоборот, закипал. Соответственно, примеси удалялись, а кислород и топливо сжигались в двигателе. Идея красивая, но за последние 30-40 лет в металле так и не реализованная. При этом нужно заметить, что такой двигатель работал бы уже на скоростях выше звуковой в четыре и более раз, до которых ещё надо как-то разогнаться. Например, устанавливая на самолет также и традиционные движки.

В принципе, можно было бы и не возиться с гиперзвуковым разгонщиком. Экспериментальные мини-шаттлы с успехом стартовали с военных бомбардировщиков. Однако для того, чтобы аппарат мог выходить в космос с существенной полезной нагрузкой или людьми, требовался очень грузоподъемный дозвуковой самолет – например, Мрия, или ещё более монструозный. Так родилась программа МАКС.

Космолеты[править]

Существовали и проекты одноступенчатых орбитальных самолетов. Поскольку взлетать они должны были сами, то и называют их уже космолетами, а не космопланами. Главный плюс виделся как раз в наличии только одной ступени. Минимум одноразовых элементов, а способность к полету в атмосфере позволяет рассчитывать на многоразовое использование корабля. Хоть максимальная масса полезной нагрузки проектов космолетов и многократно уступала таковой у сверхтяжелых ракет, многоразовое использование должно было окупить все затраты. Проектов космолетов было много, но ни один не был реализован в металле, поэтому сложно выделить что-то общее между ними. Многие проекты вертелись вокруг описанной выше схемы с гиперзвуковыми двигателями, забором кислорода из воздуха и теплообменниками с жидким водородом. Такая схема при условии достижения гиперзвука позволяла добиться приемлемого соотношения массы конструкции и массы полезной нагрузки для одноступенчатой системы – за счет экономии на окислителе, быстром разгоне и использовании подъемной силы крыла. Естественно, летать одинаково хорошо и как самолет, и как космический корабль (как это показывают в фантастических фильмах) такие игрушки вряд ли смогли бы. Все силы бросались на максимальный разгон в атмосфере и выход на орбиту; простой полет в атмосфере был бы нецелесообразным (кроме разве что перебазирования, если конструкция позволяет).

Примеры[править]

Emblem-important.pngДа миллион раз же было!
Автор этой статьи уверен, что неоднократно видел примеры этого тропа, но не может вспомнить достаточное их количество. Может быть, вам придёт на ум ещё хотя бы парочка?
  • Прежде всего, это главная фишка класических «летающих тарелок» и некоторых других подобных аппаратов.
  • Истребители в космоопере часто являются именно космопланами и умеют летать в атмосфере, используя крылья.
    • Сюда же и космооперные транспортно-десантные «челноки».
  • Star Wars — корабль королевы Набу имеет небольшие крылья.
  • Юбер аллес — именно его пилотировал райхспрезидент Шук.
  • Реальная жизнь: «Спейс Шаттл» и «Буран» — многоразовое использование обеспечивалось именно за счёт мягкой посадки «по-самолётному». Провал первого объяснялся тем, что проект курировали военные, предложив ему летать по полярной орбите и иметь широкий диапазон манёвра. Но так как шаттл применялся совершенно для других целей, то его эффективность была гораздо ниже той, которая могла бы быть, если бы этот проект делали сегодня, и для целей снабжения МКС. Буран же, несмотря на выдающиеся достижения советской инженерии и не менее выдающиеся провалы, был создан как конкурент и как «мы тоже так можем», и не эксплуатировался.
    • «Спираль» — нереализованный советский проект «космического истребителя-бомбардировщика», запускаемого с воздушного носителя (сверхзвукового самолёта).
      • МАКС — аналогичный проект транспортного корабля, создававшийся в 80-е годы как альтернатива «Бурану».
    • X-20 «Dyna-Soar» — проект «космического истребителя» США, запускаемый по традиционной схеме (ракетой «Титан»)
    • SpaceShipOne и SpaceShipTwo — суборбитальные (т. е. не выходящие на круговую орбиту) космопланы.
  • Kerbal Space Program — строить космопланы и особенно космолёты заметно труднее, чем обычные многоступенчатые ракеты, да и управлять ими сложнее; но уж если игрок этому научился — результат того стоит. По крайней мере, в режиме карьеры: приземлив космолёт на ВПП космодрома, можно утилизовать его за полную стоимость — то есть деньги тратятся только на топливо.