Введение
1. Историческое исследование вопроса
2. Перспективные двигатели будущего
3. Перспективность частных компаний в аэрокосмическом направлении
Заключение
Список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ

Благодаря развитию технологий в мире жизнь начала мчатся ускоренными темпами. Сейчас технологии сильно развились - даже вычислительные машины нашего времени в сравнении с машинами 20-30 летней давности стали настолько мощнее что даже не верится. За относительно короткое время технологии развились до уровня, который мы даже не представляли.

Благодаря развитию информационных и других технологий в других направлениях тоже произошли большие изменения. Например, авиация, если посмотреть - какая она была раньше и сейчас - это большая разница, она стала сложнее, мощнее, более безопасная для перелетов.

В наше время развиваются технологии в сторону аэрокосмического транспорта. Говоря про аэрокосмический транспорт, я представляю, что мы в скором времени уже начнем вплотную изучать космическое пространство полетами на большие космические дистанции.

Целью работы является рассмотрение вопроса - какое будущее у аэрокосмического транспорта?
В связи с этим в работе поставлены следующие задачи:

• выполнить историческое исследование вопроса;
• рассмотреть перспективные двигатели будущего;
• изучить перспективность частных компаний в аэрокосмическом направлении.

1. ИСТОРИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВОПРОСА

Впервые в реальность полёта к дальним мирам прогрессивное человечество поверило в конце 19 века. Именно тогда стало понятно, что, если летательному аппарату придать нужную для преодоления гравитации скорость и сохранять её достаточное время, он сможет выйти за пределы земной атмосферы и закрепиться на орбите.

4 октября 1957 года началась новая, а точнее первая, эра в освоении космоса - запуск первого искусственного спутника Земли «Спутник-1» (рис 3), с помощью ракеты Р-7 (рис 1,2), спроектированной под руководством Сергея Королёва. Первый спутник был микроскопическим, чуть более полуметра в диаметре и весил всего 83 кг. Полный виток вокруг Земли он совершал за 96 минут.

Всего через месяц после запуска «Спутника-1» на борту второго искусственного спутника Земли на орбиту отправилось первое животное - собака Лайка (рис 4). Цель у неё была - проверить выживаемость живых существ в условиях космического полёта. Запуск и вывод спутника на орбиту прошли успешно, но после четырёх витков вокруг Земли из-за ошибки в расчётах температура внутри аппарата чрезмерно поднялась, и Лайка погибла. Сам же спутник вращался в космосе ещё 5 месяцев, а затем потерял скорость и сгорел в плотных слоях атмосферы.

Лайка - первое животное выведенное на орбиту Земли (рис 4)

Первыми лохматыми космонавтами, по возвращении приветствовавшими своих «отправителей» радостным лаем, стали Белка и Стрелка (рис 5), отправившиеся покорять небесные просторы на пятом спутнике в августе 1960 г. Их полёт длился чуть более суток, и за это время собаки успели облететь планету 17 раз. По итогам запуска также был доработан и окончательно утверждён сам космический корабль - всего через 8 месяцев в аналогичном аппарате в космос отправится первый человек.

Белка и Стрелка (рис 5)

День 12 апреля 1961 г. первый человек покоривший космос - Юрий Гагарин на космическом корабле «Восток-1». Нужно отметить, что условия полёта были далеки от тех, что предлагаются ныне космическим туристам: Гагарин испытывал восьми-десятикратные перегрузки, был период, когда корабль буквально кувыркался, а за иллюминаторами горела обшивка и плавился металл.

Юрий Гагарин (рис 6)

Вслед за полётом Гагарина знаменательные вехи в истории освоения космоса посыпались одна за другой: был совершён первый в мире групповой космический полёт (рис 8), затем в космос отправилась первая женщина-космонавт Валентина Терешкова (1963 г) (рис 7), состоялся полёт первого многоместного космического корабля, Алексей Леонов (рис 10) стал первым человеком, совершившим выход в открытый космос (1965 г). Наконец, 21 июля 1969 г состоялась первая высадка человека на Луну (рис 9)

Первое определение авиационно-космической техники появилось в 1958 году. Определение объединяло атмосферу Земли и космическое пространство в единую сферу и объединила в себя оба термина: самолеты (аэро) и космические аппараты (космос). В ответ на первый запуск СССР первого спутника Земли в космос 4 октября 1957 года, инженеры аэрокосмической отрасли США запустили первый американский спутник 31 января 1958 года.

Для удобства космические корабли (КК) разделяют на 3 поколения

ПЕРВОЕ ПОКОЛЕНИЕ

Первое поколение следует считать советский «Восток» и американский «Меркурий». Они должны были решить только одну задачу: доказать, что человека можно вывести на околоземную орбиту, что в космосе можно жить, и можно вернутся на Землю живым и здоровым.

КОСМИЧЕСКИЕ КОРАБЛИ «ВОСТОК»

Трехступенчатая ракета-носитель состоит из четырех боковых блоков (I ступень), расположенных вокруг центрального блока (II ступень). Над центральным блоком помещена III ступень ракеты. На каждом из блоков I ступени был установлен четырех-камерный жидкостно-реактивный двигатель РД-107, а на II ступени — четырехкамерный реактивный двигатель РД-108. На III ступени был установлен однокамерный жидкостно-реактивный двигатель с четырьмя рулевыми соплами.

Ракета-носитель «Восток»
1 — головной обтекатель;
2 — полезный груз;
3 — кислородный бак;
4 — экран; 5 — керосиновый бак;
6 — управляющее сопло;
7 — жидкостный ракетный двигатель (ЖРД);
8 — переходная ферма;
9 — отражатель;
10 — приборный отсек центрального блока;
11 и 12 — варианты головного блока
(с АМС «Луна-1» и с АМС «Луна-3» соответственно).

Корабль «Восток» состоял из соединенных вместе спускаемого аппарата и приборно-агрегатного отсека. Масса корабля около 5 т.
Спускаемый аппарат (кабина экипажа) был выполнен в виде шара диаметром 2,3 м. В спускаемом аппарате было установлено кресло космонавта, приборы управления, система жизнеобеспечения. Кресло располагалось таким образом, чтобы возникающая при взлете и посадке перегрузка оказывала на космонавта наименьшее действие.

Капсула после приземления (рис 14)

ВТОРОЕ ПОКОЛЕНИЕ

Главная задача второго поколения - отработка систем для кораблей следующих поколений.
На «Восходе» была отработана система посадки. Отказ от системы катапультирования позволил без большой переработки корабля увеличить его вместительность.

КОСМИЧЕСКИЕ КОРАБЛИ «ВОСХОД»

Космический корабль «Восход-2» (рис 15)

Расширяются задачи космических полетов и соответственно совершенствуются космические корабли. 12 октября 1964 г. сразу три человека поднялись в космос на корабле «Восход»: В. М. Комаров (командир корабля), К. П. Феоктистов (ныне доктор физико-математических наук) и Б. Б. Егоров (врач).

Космический корабль «Восход-1» (рис 16)

Новый корабль существенно отличался от кораблей серии «Восток». Он вмещал трех космонавтов, имел систему мягкой посадки. «Восход-2» имел шлюзовую камеру для выхода из корабля в открытый космос.
Полет корабля «Восход-2» состоялся 18 марта 1965 г. После выхода космического корабля на орбиту была раскрыта шлюзовая камера. Шлюзовая камера развернулась с наружной стороны кабины, образовав цилиндр, в котором мог разместиться человек в скафандре.

Космический корабль «Восход-2» и схема шлюзования на корабле

1,4,9, 11 — антенны;

2 — телевизионная камера;

3 — баллоны со сжатым воздухом и кислородом;

5 — телевизионная камера;

6 — шлюз до наполнения;

7 — спускаемый аппарат;

8 — агрегатный отсек;

10 — двигатель системы торможения;

А — наполнение шлюза воздухом;

Б — выход космонавта в шлюз (люк открыт);

В — выпуск воздуха из шлюза наружу (люк закрыт);

Г — выход космонавта в космос при открытом наружном люке;

Д — отделение шлюза от кабины.

ТРЕТЬЕ ПОКОЛЕНИЕ

КК «Союз» и «Аполлон» - данные корабли предназначались для полёта на Луну и соответственно могли войти в атмосферу земли со второй космической скоростью.

КОСМИЧЕСКИЕ КОРАБЛИ «СОЮЗ»

Космический корабль «Союз» (рис 17)

Корабль «Союз» состоит из орбитального отсека, спускаемого аппарата и приборно-агрегатного отсека.
В кабине спускаемого аппарата расположены кресла космонавтов. Форма кресла позволяет легче переносить перегрузки, возникающие при взлете и посадке. Специальный амортизатор смягчает удары, возникающие при посадке.
На «Союзе» имеются две автономно действующие системы жизнеобеспечения: система жизнеобеспечения кабины и система жизнеобеспечения скафандра.

Ракета-носитель «Союз»

Стартовая масса, т - 300
Масса полезного груза, кг
«Союз» - 6800
«Прогресс» - 7020
Тяга двигателей, кН
I ступени - 4000
II ступени - 940
III ступени - 294
Максимальная скорость, м/с 8000

1— система аварийного спасения (САС);
2 —пороховые ускорители;
3 — корабль «Союз»;
4 — стабилизирующие щитки;
5 и 6 — топливные баки III ступени;
7 — двигатель III ступени;
8 — ферма между II и III ступенями;
9 — бак с окислителем I ступени;
10 — бак с окислителем I ступени;
11 и 12—баки с горючим I ступени;
13 — бак с жидким азотом;
14 — двигатель I ступени;
15 — двигатель II ступени;
16 — камера управления;
7 — воздушный руль.

Ракета-носитель «Союз» (рис 18)

Космический корабль «Союз Т» создан на базе корабля «Союз». «Союз Т-2» впервые выведен на орбиту в июне 1980 г. Новый корабль создан с учетом опыта разработки и эксплуатации КК «Союз». Стартовая масса корабля 6850 кг. Расчетная продолжительность автономного полета 4 суток, в составе орбитального комплекса 120 суток.

Варианты головного блока (рис 19)

I — с кораблем «Восход-2»;

II—с кораблем «Союз-5»;

III — с кораблем «Союз-12»;

IV — с кораблем «Союз-19»

ОТВЕТВЛЕНИЕ: ГРУЗОВЫЕ КОРАБЛИ

При разработке орбитальных станций второго поколения (станции рассчитаны на пополнение расходных материалов во время полёта) встал вопрос о доставке на орбитальные станций грузов. Для этого у нас был разработан корабль «Прогресс»

ГРУЗОВОЙ КОРАБЛЬ «ПРОГРЕСС»

Стыковка грузового корабля «Прогресс М-27М» с МКС (рис 19)

«Прогресс» — серия транспортных беспилотных грузовых космических кораблей (ТГК), выводимых на орбиту с помощью ракеты-носителя «Союз». Разработана в СССР для снабжения орбитальных станций.
Разработка нового корабля на базе космического корабля «Союз» под кодом 7К-ТГ была начата в 1973 году. Первый «Прогресс» вышел на орбиту 20 января 1978 года.

Разработчиком и изготовителем кораблей семейства «Прогресс» с 1970-х и по настоящее время является Ракетно-космическая корпорация «Энергия».

Транспортный грузовой корабль «Прогресс М1-10» (рис 20)

Первый грузовой корабль «Прогресс-1» был запущен к орбитальной станции «Салют-6» 20 января 1978 года. Контролировали ход операции Центр управления полётом и космонавты Юрий Романенко и Георгий Гречко, находившиеся на станции «Салют-6». 22 января в автоматическом режиме корабль был состыкован со станцией.

ОТВЕТВЛЕНИЕ: МНОГОРАЗОВЫЕ ЧЕЛНОКИ

Этот тип кораблей выделю в ответвление. Так как они являются альтернативой орбитальным станциям.

«КОСМИЧЕСКИЙ ЧЕЛНОК»

Космический челнок — многоразовый транспортный космический корабль. Подразумевалось, что шаттлы будут «сновать, как челноки» между околоземной орбитой и Землёй, доставляя полезные грузы в обоих направлениях.

Космический челнок после посадки (рис 21)

Программа по созданию космических челноков разрабатывалась компанией North American Rockwell и группой ассоциированных подрядчиков по поручению НАСА с 1971 года. Разработка и опытно-конструкторские работы велись в рамках совместной программы НАСА и ВВС. Всего было построено пять шаттлов (два из них погибли в катастрофах) и один прототип. Полеты в космос осуществлялись с 12 апреля 1981 года по 21 июля 2011 года.

Космический челнок при запуске (рис 22)

В 1985 году НАСА планировало, что к 1990 году будет совершаться по 24 старта в год, и каждый из кораблей совершит до 100 полётов в космос. На практике же они использовались значительно меньше — за 30 лет эксплуатации было произведено 135 пусков (в том числе две катастрофы).

Взлет челнока к МКС

30 октября 1968 года два головных центра NASA обратились к американским космическим компаниям с предложением исследовать возможность создания многоразовой космической системы, что должно было снизить затраты космического агентства при условии интенсивного использования.

Космический челнок «Буран» (рис 23)

Было решено настаивать на создании шаттла, но подать его не как транспортный корабль для сборки и обслуживания космической станции, а как систему, способную приносить прибыль и окупить инвестиции за счёт выведения на орбиту спутников на коммерческой основе.

2. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ДВИГАТЕЛЕЙ БУДУЩЕГО

Современные ракетные двигатели неплохо справляются с задачей выведения техники на орбиту, но совершенно непригодны для длительных космических путешествий. Поэтому уже не первый десяток лет ученые работают над созданием альтернативных космических двигателей, которые могли бы разгонять корабли до рекордных скоростей. Рассмотрим основные идеи двигателей из этой области.

EmDrive

Двигатель EmDrive (рис 24)

EmDrive (Electro Magnetic Drive, электромагнитный двигатель) использует электромагнитные микроволновые полости для прямого преобразования энергии в тягу без необходимости использовать топливо. Конструкция представляет собой по форме металлическое ведро, запаянное с обоих концов. Внутри этого ведра расположен магнетрон, излучающий электромагнитные волны.

Схема работы двигателя EmDrive (рис 25)

Впервые предложенный британской исследовательской компанией концепт EmDrive был отвержен большей частью научного сообщества как нарушающий законы физики, в том числе и закон сохранения импульса.

Уайт предположил, что тяга EmDrive порождается виртуальными частицами в квантовом вакууме, которые ведут себя как ионы топлива в магнито-гидродинамических двигательных системах, добывающих «топливо» из самой ткани пространства-времени и устраняющих необходимость использования топлива. Хотя многие ученые раскритиковали теоретическую модель Уайта, другие считают, что он хотя бы указывает в правильном

Физика — экспериментальная наука, и тот факт, что EmDrive работает, подтвержден в лаборатории, но природа наблюдаемой тяги по-прежнему остается неясной.

Испытание двигателя EmDrive

Учитывая плюсы EM Drive, нетрудно понять, почему люди хотят видеть его в работе. Теоретически он мог бы вырабатывать достаточно тяги, чтобы долететь до Луны за четыре часа, до Марса — за 70 дней, до Плутона — за 18 месяцев, и все это без капли топлива. К сожалению, эта двигательная установка основана на принципах, нарушающих закон сохранения импульса.

В докладе также признается необходимость дальнейшего тестирования, чтобы исключить другие возможные причины. И если удастся исключить также внешние причины, будущие испытания поставят задачу повысить производительность EM Drive.

Градиент распространения температур на поверхности (рис 26)

Вдобавок ко всему этому, IB Times отмечает, что в посте доктора были информация из выдержки из статьи:
«Данные в ходе испытаний передней, обратной и нулевой тяги в режиме TM212 при менее 8106 мм рт. ст. показали, что система последовательно демонстрирует тягу с коэффициентом мощности в 1,2 +/- 0,1 мН/кВт».

Солнечный парус

Солнечный парус (рис 27)

Планетарное общество запустило проект под названием «Световой парус» (LightSail) для изучения возможности разработки космического аппарата, работающего полностью на солнечной энергии и ускоряемый исключительно солнечным светом.

Проблема, однако, в том, что давление света крайне мало и уменьшается с увеличением расстояния от источника. Поэтому, чтобы быть эффективным, такой парус должен иметь очень малый вес и очень большую площадь.

После нескольких неудачных попыток программы LightSail 1 в 2015 году все же удалось успешно завершить пробный запуск и раскрытие солнечного паруса. Новый вариант солнечного паруса, LightSail 2, планируется вывести на орбиту Земли с помощью ракеты SpaceX Falcon Heavy в 2018 году.

Электрический парус

Солнце излучает не только фотоны, но также и электрически заряженные частицы вещества: электроны, протоны и ионы. Все они формируют так называемый солнечный ветер, ежесекундно уносящий с поверхности светила около одного миллиона тонн вещества.
Солнечный ветер распространяется на миллиарды километров и ответственен за некоторые природные явления на нашей планете.
Солнечный ветер, как и ветер воздушный, вполне пригоден для путешествий, надо лишь заставить его дуть в паруса. Проект электрического паруса, созданный в 2006 году финским ученым Пеккой Янхуненом. Этот двигатель состоит из нескольких длинных тонких тросов, похожих на спицы колеса без обода..

Принцип действия электрического паруса (рис 28)

Принцип, на котором работает HERTS, — это обмен импульсов между массивом длинных проводов под напряжением и протонами солнечного ветра, которые радиально текут от Солнца на скорости от 300 до 700 км/с. Высоковольтные положительно заряженные провода, ориентированные на поток солнечного ветра, отражают текущие протоны, в результате чего возникает реактивная сила в проводах — направленная также радиально от Солнца. За месяцы эта небольшая сила разгонит космический аппарат до гигантских скоростей — порядка 100-150 км/с (от 20 до 30 а. е. в год).

Ионный двигатель

Ионный двигатель (рис 29)

Поток заряженных частиц вещества, то есть ионов, излучают не только звезды. Ионизированный газ можно создать и искусственно. В обычном состоянии частицы газа электрически нейтральны, но, когда его атомы или молекулы теряют электроны, они превращаются в ионы. В общей своей массе такой газ все еще не имеет электрического заряда, но его отдельные частицы становятся заряженными, а значит, могут двигаться в магнитном поле.

В ионном двигателе инертный газ ионизируется с помощью потока высокоэнергетических электронов. Они выбивают электроны из атомов, и те приобретают положительный заряд. Далее получившиеся ионы ускоряются в электростатическом поле до скоростей порядка 200 км/с, что в 50 раз больше, чем скорость истекания газа из химических реактивных двигателей. Тем не менее современные ионные двигатели обладают очень маленькой тягой - около 50-100 миллиньютонов. Такой двигатель не смог бы даже сдвинуться со стола. Но у него есть серьезный плюс.

Большой удельный импульс позволяет значительно сократить расходы топлива в двигателе. Для ионизации газа используется энергия, полученная от солнечных батарей, поэтому ионный двигатель способен работать очень долго - до трех лет без перерыва. За такой срок он успеет разогнать космический аппарат до скоростей, которые химическим двигателям и не снились.

Ионные двигатели уже не раз бороздили просторы Солнечной системы в составе различных миссий, но обычно в качестве вспомогательных, а не основных.

Недавние испытания ускорителя X3 (разновидность двигателя Холла) показали, что установка способна работать при мощности более 100 кВт и генерировать 5,4 ньютона силы, что на данный момент стало высшим показателем эффективности для любого ионного плазменного двигателя.

Термоядерный двигатель

Термоядерный двигатель (рис 30)

Укротить энергию термоядерного синтеза люди пытаются с середины ХХ века, но пока что сделать это так и не удалось. Тем не менее управляемый термоядерный синтез все равно очень привлекателен, ведь это источник громадной энергии, получаемой из весьма дешевого топлива - изотопов гелия и водорода.

Термоядерный синтез происходит, когда два атома водорода сталкиваются и создают больший атом гелия-4, который испускает энергию в процессе этого.

Синтез может происходить только в условиях крайне горячей среды, температура которой измеряется миллионами градусов. Звезды, состоящие из плазмы, представляют собой единственные природные объекты, достаточно горячие для создания реакции термоядерного синтеза. Плазма, которую часто называют четвертым состоянием вещества, представляет собой ионизированный газ, состоящий из атомов, лишенных некоторой части электронов. Реакция синтеза отвечает за создание 85 % энергии Солнца.

Высокий уровень тепла, необходимый для создания этого типа плазмы, приводит к тому, что ее нельзя заключить в контейнер из любого, известного нам вещества. Тем не менее, плазма хорошо проводит электричество, что позволяет удерживать, управлять и ускорять ее с помощью магнитного поля.

Двигатель на синтезе может обладать удельным импульсом в 300 раз большим, чем обычные химические двигатели. Обычный химический ракетный двигатель обладает импульсом примерно 1300 секунд, что означает следующее: двигатель выдает 1 килограмм тяги на 1 килограмм топлива за 1300 секунд. Ракета на синтезе может обладать импульсом в 500 000 секунд.

В настоящий момент существует несколько проектов конструкции реактивного двигателя на энергии термоядерного синтеза. Термоядерный реактор в таком двигателе будет представлять собой негерметичную цилиндрическую камеру размером 100-300 метров в длину и 1-3 метра в диаметре. В камеру должно подаваться топливо в виде высокотемпературной плазмы, которая при достаточном давлении вступает в реакцию ядерного синтеза. Располагающиеся вокруг камеры катушки магнитной системы должны удерживать эту плазму от контакта с оборудованием.

Зона термоядерной реакции располагается вдоль оси такого цилиндра. С помощью магнитных полей экстремально горячая плазма проистекает через сопло реактора, создавая огромную тягу, во много раз большую, чем у химических двигателей.

Двигатель на антиматерии

Все окружающее нас вещество состоит из фермионов - элементарных частиц с полуцелым спином. Это, к примеру, кварки, из которых состоят протоны и нейтроны в атомных ядрах, а также электроны. При этом у каждого фермиона есть своя античастица. Для электрона таковой выступает позитрон, для кварка - антикварк.

Античастицы имеют ту же массу и тот же спин, что и их обычные "товарищи", отличаясь знаком всех остальных квантовых параметров. Теоретически античастицы способны составлять антивещество, но до сих пор нигде во Вселенной антивещество зарегистрировано не было. Для фундаментальной науки является большим вопросом, почему его нет.
Но в лабораторных условиях можно получить некоторое количество антивещества. К примеру, недавно был проведен эксперимент по сравнению свойств протонов и антипротонов, которые хранились в магнитной ловушке.

При встрече антивещества и обычного вещества происходит процесс взаимной аннигиляции, сопровождаемый выплеском колоссальной энергии. Соответственно, возникает желание использовать эту энергию для космических перемещений путем создания фотонного двигателя, похожего на солнечный парус, только в данном случае свет будет генерироваться внутренним источником.

3. ПЕРСПЕКТИВНОСТЬ ЧАСТНЫХ КОМПАНИЙ

В АЭРОКОСМИЧЕСКОМ НАПРАВЛЕНИИ

В последние годы государственные космические агентства разных стран утратили монополию за полеты за пределы Земли. Все чаще происходят успешные запуски частных летательных аппаратов, отправляющихся на орбиту или в суборбитальное пространство. Об перспективности частных компаний я бы хотел рассказать на примере SpaceX.

SpaceX

SpaceX - компания начавшая свою деятельность в 2002 году, основатель Илон Маск. Основной целью SpaceX которой является сократить расходы на полёты в космос и открывая путь к колонизации Марса.

Компания разработала ракеты-носители Falcon 1 и Falcon 9, с самого начала преследуя цель сделать их многоразовыми, и космический корабль Dragon (выводимый на орбиту теми же Falcon 9), предназначенный для пополнения запасов на Международной космической станции. Пассажирская версия корабля Dragon V2 для транспортировки астронавтов на МКС находится в финальной фазе разработки.

SpaceX успешно разработала и запустила в космос ракету-носитель легкого класса Falcon 1 и среднего класса Falcon 9; ракета-носитель тяжёлого класса Falcon Heavy находится в разработке, первый запуск планируется в январе 2018 года.

Falcon 1

Falcon 1 (рис 31)

Первый старт ракеты-носителя от SpaceX произошел 24 марта 2006 года. Космический аппарат Falcon 1 имел в длину 21,7 метра, а также стартовый вес в 38555 килограммов, из которых 670 кг приходилось за полезную нагрузку. Однако запуск окончился провалом еще на этапе работы первой ступени.

Также неудачными для SpaceX оказались второй и третий старты ракеты Falcon 1. Причем, в последнем случае космический аппарат уже нес в себе полезную нагрузку: один американский военный спутник, два малазийских коммерческих микроспутника, а также прах умерших для захоронения в Космосе.

Инвесторы, которые присматривались к амбициозной компании, теряли к ней интерес, а личные средства Илона Маска стремительно заканчивались.

И тогда Маск решил пойти ва-банк. Буквально через два месяца после третьего падения Falcon 1, 28 сентября 2008 года был осуществлен четвертый старт ракеты, который оказался удачным. При этом сам директор SpaceX утверждает, что в случае провала этого запуска, компания перестала бы существовать.

Запуск ракета-носителя Falcon 1

Falcon 9

Ракета-носитель Falcon 9 (рис 32)

Впервые эта ракета-носитель отправилась на орбиту 4 июня 2010 года. На данный момент, осуществлено 18 запусков Falcon 9, все - успешные.

Falcon 9 — семейство одноразовых и частично многоразовых ракет-носителей тяжёлого класса серии Falcon американской компании SpaceX. Falcon 9 состоит из двух ступеней и использует в качестве компонентов топлива керосин марки RP-1 (горючее) и жидкий кислород (окислитель). Цифра «9» в названии обозначает количество жидкостных ракетных двигателей Merlin, установленных на первой ступени ракеты-носителя.

Ракета-носитель с момента первого запуска прошла через две существенные модификации.

Falcon 9 v1.0, запускалась пять раз с 2010 по 2013 год,
Falcon 9 v1.1, пришла ей на смену выполнившая 15 запусков; использование её было завершено в январе 2016 года.
Falcon 9 Full Thrust (FT), последняя версия, впервые запущенная в декабре 2015 года, использует сверхохлаждённые компоненты топлива и максимальную тягу двигателей для увеличения производительности ракеты-носителя на 30 %.

Falcon 9 v1.1 (рис 33)

Первая ступень Falcon 9 может быть повторно использована, на неё установлено оборудование для её возврата и вертикального приземления на посадочную площадку или плавающую платформу autonomous spaceport drone ship. И если первые старты ракеты Falcon 9 не подразумевали ее многоразового действия, то сейчас компания SpaceX постепенно начала отработку технологии многократного использования первой ступени ракеты. А ведь именно эта ее часть является самой дорогой статьей расхода при космических пусках.

Запуск ракета-носителя и приземление первой ступени Falcon 9

22 декабря 2015 года, после запуска на орбиту 11 спутников Orbcomm-G2, первая ступень ракеты-носителя Falcon 9 FT впервые успешно приземлилась на площадку Посадочной зоны.

8 апреля 2016 года, в рамках миссии SpaceX CRS-8, первая ступень ракеты Falcon 9 FT впервые в истории ракетостроения успешно приземлилась на морскую платформу «Of Course I Still Love You».
30 марта 2017 года, та же ступень, после технического обслуживания, была запущена повторно в рамках миссии SES-10 и снова успешно приземлилась на морскую платформу.

Falcon 9 используется для запусков геостационарных коммерческих спутников связи, научно-исследовательских космических аппаратов, грузового космического корабля Dragon в рамках программы Commercial Resupply Services по снабжению Международной космической станции, а также будет использоваться для запуска его пилотируемой версии Dragon V2.

Falcon Heavy

Falcon Heavy (рис 34)

Сейчас компания SpaceX ведет разработку космического аппарата Falcon Heavy, который станет самой мощной в истории ракетой-носителем. При стартовой массе в 1463 тонны она сможет нести до 53 т полезной нагрузки. Ожидается, что при помощи именно этих ракет компания SpaceX будет осуществлять свои миссии на Марс.

По состоянию на 2017 год ракета Falcon Heavy компании SpaceXявляется самой мощной ракетой в мире, которая способна выводить в космос как минимум в два раза больше полезной нагрузки чем любое действующее средство выведения космического назначения. Ракета была специально разработана для возобновления пилотируемых полетов на Луну, а также выполнить первые полеты к Марсу.

Эта ракета способна выводить на орбиту более 54 метрических тонн (119 000 фунтов), что в массовом эквиваленте можно прировнять к 737-му авиалайнеру Boeing с пассажирами, экипажем, багажом и топливом. На геопереходную орбиту Falcon Heavy будет способен выводить до 22,2 метрических тонн, а к Марсу будет способна отправлять отправить около 13,6 тонн.
Falcon Heavy может поднять более чем в два раза больше полезной нагрузки чем самая мощная действующая ракета-носитель Delta IV Heavy компании United Launch Alliance (ULA).

Запуск ракета-носителя и приземление его ступеней

Первая ступень вместе с ускорителями образует мощную связку с 27 ракетных двигателей, которые вместе генерируют более 5 миллионов фунтов тяги при старте, что можно прировнять примерно с восемнадцатью самолетами Boeing 747.
В верхней части первой ступени находится специальная промежуточная структура (interstage), которая вмещает двигатели второй ступени и специальное оборудование расстыковки.

Первая ступень ракеты Falcon Heavy оснащена системой многоразового использования для контролируемого возвращения и посадки первой ступени и ее боковых ускорителей в три разных посадочных места.

Учитывая тот факт, что для возврата первой ступени на посадочную площадку придется снизить массу выводимой полезной нагрузки, в связи с этим скорей всего почти все ее посадки будут выполняться на плавающую платформу autonomous spaceport drone ship. А вот боковые ускорители напротив будут возвращаться к месту старту на посадочные площадки.

Вторая ступень точно такая же, как и у РН Falcon 9. Она оснащена одним двигателем Merlin 1D Vacuum, который рассчитан на то, чтобы гореть около шести минут и производимой тягой 934 кН, может быть выключен и перезапущен несколько раз по мере необходимости для доставки различных полезных нагрузок на разные орбиты.

Dragon

Челнок Dragon (рис 35)

Dragon — частный многоразовый транспортный космический корабль компании SpaceX, разработанный по заказу NASA в рамках программы Commercial Orbital Transportation Services (COTS), предназначенный для доставки и возвращения полезного груза и, в перспективе, людей на Международную космическую станцию. Он может доставлять на орбиту до 3310 килограммов полезного груза и забирать оттуда до 2500 кг.

Необходимость в новых грузовых кораблях возникла у США по причине прекращения полётов Шаттлов.

На 2017 год, и начиная с 2012 года, Dragon является единственным в мире действующим грузовым космическим кораблем, способным возвращаться на Землю.

SpaceX начала разработку космического корабля Dragon в конце 2004 года.

Корабль Dragon стал первым частным космическим кораблём, пристыкованным к Международной космической станции

Согласно контракту, заключенному между NASA и «SpaceX» по программе Commercial Resupply Services, последняя должна была осуществить 12 штатных миссий на МКС, но в марте 2015 года NASA приняла решение продлить контракт ещё на три миссии в 2017 году. Сумма контракта с NASA около 1,6 млрд долларов (увеличилась до около 2 млрд после продления).

Dragon V2

Dragon V2 (рис 36)

Dragon V2 — это новая, усовершенствованная версия космического челнока Dragon от SpaceX, разработанный по заказу НАСА в рамках программы Commercial Crew Development (CCDev), предназначенный для доставки людей на Международную космическую станцию и возвращения их на Землю. Будет выводиться на орбиту ракетой-носителем Falcon 9 со стартового комплекса LC-39A в Космическом центре Кеннеди. Пассажирская версия космического корабля Dragon была представлена 30 мая 2014 года Илоном Маском.

Dragon V2 изнутри (рис 37)

Dragon V2 представляет собой усовершенствованную пилотируемую версию многоразового аппарата Dragon, которая позволит экипажу добираться до МКС и возвращаться на Землю с полным управлением приземлением. В капсуле Dragon V2 одновременно смогут находиться до семи астронавтов. В отличие от грузовой версии, он будет стыковаться с МКС самостоятельно, без использования манипулятора станции. Стоимость полёта в расчёте на одного космонавта будет составлять 20 млн долларов.

Анимация полета Dragon V2

Первоначально в мае 2014 года предполагалась управляемая посадка на двигателях (парашютная схема в качестве резерва), опоры для мягкой посадки. По словам разработчиков, благодаря двигателям SuperDraco аппарат способен приземляться практически в любом месте с точностью вертолёта, а возможность управляемой посадки сохраняется при отказе 2 из 8 двигателей. В случае отказа двигателей посадка выполняется на парашютах. SuperDraco являются первыми двигателями в космической промышленности, изготовление которых возможно по технологии 3D-печати. В дальнейшем было принято решение, что в первых полётах корабль будет приземляться в океан при помощи парашютов, а посадка на землю при помощи двигателей будет использоваться в будущих полётах после завершения процесса сертификации.

Космический челнок Dragon V2 был официально представлен весной 2014 года. На данный момент идут его технические тесты и запуски, однако не в полноценном режиме.

Тесты Dragon V2

Продолжением линейки Dragon может в скором будущем стать космический челнок Red Dragon. Он будет создан непосредственно для Марсианской миссии. Однако подробности этого проекта широкой общественности пока что неизвестны.

Big Falcon Rocket

Big Falcon Rocket (рис 38)

Big Falcon Rocket — так называется универсальная транспортная система, состоящая из многоразовой сверхтяжёлой ракеты и корабля, способного вместить до ста человек. По словам Маска, такую связку можно будет использовать не только для марсианских и лунных миссий, но и для доставки грузов на МКС. А ещё с помощью BFR можно будет доставлять людей из одной точки земного шара в другую
будет способна вывести на низкую опорную орбиту до 150 тонн полезного груза.

Big Falcon Rocket в космосе (рис 39)

Первую ступень носителя собираются оснастить 31 двигателем Raptor. По словам главы SpaceX, в будущем BFR может заменить все существующие ракеты, производимые компанией, так как станет универсальным средством для перевозки грузов и космонавтов. Внутри BFR будет 825 кубических метров свободного пространства, разделённого на 40 кабин и зоны общего пользования. В длину корабль будет около 48 метров, а его вес составит почти 85 тонн. Первые два беспилотных полёта BFR на Марс планируется осуществить уже к 2022 году, а спустя ещё два года в SpaceX собираются отправить на Красную планету людей.

Анимация полета Big Falcon Rocket

Строение Big Falcon Rocket (рис 40)

Ракета BFR очень большая и если ее просто поставить в городе, то будет примерно вот это

Со постановление размеров Big Falcon Rocket (рис 41)

Будучи 130 метров в высоту, это по сути 40-этажный небоскреб. Будучи 13 метров в диаметре, она будет также в три раза тяжелее и мощнее с точки зрения тяги гигантской Saturn V — ракеты миссии «Аполлон» — которая пока что остается самой большой ракетой, построенной людьми.

Вот так она выглядит рядом с другими ракетами:

Со постановление Big Falcon Rocket с другими ракетами (рис 42)

Разница становится еще более разительной, если сравнивать ее с ракетами с позиции массы полезного груза (грузоподъемности груза и людей), которую они могут выводить на орбиту.

Со постановление Big Falcon Rocket с другими ракетами с позиции массы полезного груза (рис 42)

Один двигатель «Раптор» выдает 310 тонн тяги, а у BFR их 42 что в сумме выходит 13 033 тонны тяги.

Ракетные двигатели

С момента основания SpaceX в 2002, компания разработала несколько ракетных двигателей:

• Kestrel — для второй ступени Falcon 1,
• Merlin — для первой ступени Falcon 1 и обеих ступеней Falcon 9 и Falcon Heavy,
• Draco — маневровые двигатели для корабля Dragon и второй ступени Falcon 9 v1.0,
• SuperDraco — для системы аварийного спасения и управляемой посадки корабля Dragon V2.
• Также в стадии разработки находится двигатель Raptor, который будет использоваться для будущих полётов на Марс.

Технология посадки на плавучую платформу

Первая ступень ракета-носителя Falcon 9 (рис 47)

Для снижения себестоимости запусков SpaceX использует управляемую посадку первой ступени ракеты-носителя на плавучую платформу — Autonomous spaceport drone ship.
На платформе нет экипажа, она функционирует полностью в автономном режиме, также может управляться дистанционно, с корабля поддержки.
По оценке представителя компании, ожидаемый шанс на успешное возвращение первой ступени составляет 75-80 % для НОО и ГПО 50-60 %.

Схема приземления первой ступени на платформу (рис 48)

Первая успешная посадка первой ступени ракеты-носителя Falcon 9 на плавучую платформу состоялась в апреле 2016 года в рамках миссии SpaceX CRS-8, через месяц SpaceX сумела повторить этот успех, посадив ступень впервые после запуска на геопереходную орбиту спутника связи JCSAT-14. Профиль возвращения ступени в последней миссии был связан с высокими температурными нагрузками при входе в плотные слои атмосферы, вследствие чего ступень получила наибольшие повреждения по сравнению с двумя вернувшимися ранее. В компании приняли решение использовать эту ступень для проведения интенсивных наземных испытаний, как вернувшуюся в наиболее сложных условиях, в качестве ориентира для других посаженых ступеней. Первую севшую на платформу ступень запустили повторно в конце марта 2017 года.

Успешная посадка 1 ступени Falcon 9 на плавучую платформу

Неудачная посадка 1 ступени Falcon 9 на плавучую платформу

Факторы успеха компании SpaceX

Надо признаться, что нынешние успехи компании SpaceX оказались достаточно непредсказуемыми для мирового технического сообщества. Мало кто верил, что Илон Маск сможет достичь желаемого результата - успешного в техническом и коммерческом плане предприятия по частному освоению Космоса.

Среди основных факторов успеха специалисты выделяют следующие пункты:

1. Частный характер компании SpaceX.
Опыт последнего десятилетия показал, что бизнес практически на всех уровнях является куда более эффективным собственником, чем государственные структуры. Касается это и космической отрасти.

Частная компания SpaceX куда сильнее нацелена на достижение окончательного результата как можно быстрее и дешевле, чем государственное агентство NASA. Последнее многократно критиковалось за раздутые бюджеты, созданные исключительно для их освоения.

2. Низкая себестоимость космических полетов
С самого начала своего существования компания SpaceX планировала использовать многоразовые космические аппараты. Это позволит снизить себестоимость каждого пуска почти в два раза.

Также на себестоимость космических полетов сильно влияет малое количество сотрудников в компании SpaceX. На данный момент, оно исчисляется тремя с половиной тысячами человек. Для сравнения, в NASA числится более 18 тысяч сотрудников.

3. Инновационность
Компания SpaceX видит свой успех в максимальном внедрении инновационных технологий. Частная фирма имеет возможность привлекать к сотрудничеству лучших в мире специалистов в тех или иных сферах деятельности. Работать в фирме Илона Маска - это мечта для миллионов инженеров, программистов и администраторов. Все они нацелены на успех, на максимально стремительное и безграничное развитие.

4. Государственная поддержка
Однако успеха частной компании SpaceX не было бы и без поддержки со стороны государства. К примеру, агентство NASA вложило в проекты этого детища Илона Маска сотни миллионов долларов, называя их оплатой за будущие старты. Это происходило даже в те моменты, когда никто не мог гарантировать успешность инициатив SpaceX.

Заключение

Смотря на перспективные разработки аэрокосмического транспорта в наше время, можно сказать что будущее уже наступило! То о чем люди мечтали многие годы начинают сбываться. Уже через какие то 5-10 лет люди начнут колонизировать марс это стало возможным из за возвращаемых ступеней ракета-носителей что существенно сократит расходы на перевозку и даст путь к колонизации но и не только, это также даст возможность расширению космических станций, уменьшение цены на запуск искусственных спутников и становление доступности полетов обычным людям. Это все очень вдохновляет делать что-либо! Меня вдохновило написать данную статью, которая может разжечь искру в других и вдохновить сделать что-то еще. Для того что бы изменить мир в лучшую сторону нужно всего лишь начать с себя и тогда мир вокруг тебя изменится сам. Смотря на компанию SpaceX и на то что делает Илон Маск какие грандиозные проекты, он воплощает в жизнь можно проверить что возможно все!

Какое будущее у аэрокосмического транспорта?

Цели и задачи
Цель работы - определение возможных и перспективных направлений использования, возможных конструкции космолетов и их элементов для решения задач освоения космоса.
Задачи работы - исследование направлений развития, особенностей этапов полета и их учета в конструкции, конструкций космолетов и двигательных установок космолета.
Введение
Тысячелетия понадобились человечеству для более-менее уверенного движения по собственной планете. Развивались технологии, человек мог всё дальше удаляться от родных мест. В начале 18 века развитие мануфактурного производства, достижения науки привели к зарождению воздухоплавания. В начале 20 века создание легкого и мощного двигателя внутреннего сгорания позволило поднять в воздух аэроплан, а создание жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) - вырваться в космическое пространство . Всего 150 лет понадобилось, чтобы перейти от ловли ветра к космическим полетам (1802 год - нет пароходов, 1957 год - уже есть космические ракеты).
Прогресс был столь очевидным и ошеломляющим, что уже в начале 1960-х годов строились прогнозы, как через 35-40 лет мы будем выходные проводить на орбите, летать в отпуск на Луну, а наши космические корабли начнут бороздить межзвездные просторы... Очень большие ожидания были связаны с 21 веком (1), до которого было еще 35 лет :

Рис. 1
Приятно оптимистичны перспективы регулярных рейсов космических кораблей в околоземном космическом пространстве и к ближайшим планетам Солнечной Системы для туристов :

Пункт назначения	Стоимость билета туда-обратн», долл.	Кол-во пассажиров в рейсе	Время полета
Околоземная орбита	1250	200	24 ч
Луна	10000	35	6 сут
Венера	32000	20	18 мес
Марс	35000	20	24 меc
Марс-экспресс	70000	20	11 мес

Пассажирам должен быть обеспечен комфорт, как на авиалиниях, железнодорожном транспорте и океанских лайнерах. На каждого пассажира при полёте на околоземную орбиту приходится 2,85 м3 объема корабля, на Луну - 11,4 м3, к ближайшим планетам - 28,5 м3. Уточним - опыт длительных космических полётов и работы космонавтов на орбитальных станциях показал, что на каждого человека объем гермоотсеков должен составлять не менее 60 м3 .

Развитие космической техники
Вторая половина 20 века была посвящена, в основном, освоению околоземного космического пространства баллистическими средствами, а именно многоступенчатыми ракетами .
Сразу обозначились два пути развития космической техники - баллистический и аэродинамический. Баллистические летательные аппараты (ЛА) используют для полёта только реактивную тягу двигателя. Аэродинамические ЛА для полета, помимо реактивной тяги двигателя (ЖРД или воздушно-реактивного (ВРД)), используют подъемную силу, создаваемую крылом или корпусом ЛА. Существовала и комбинированная схема. Аэродинамические ЛА перспективнее для самостоятельной управляемой мягкой посадки , ,

Что такое «космический самолет»
Аэрокосмический транспорт - чрезвычайно широкое понятие, которое включает аэрокосмический ЛА, системы старта и посадки, системы удаленного управления и пр. В данной работе рассмотрим сам аэрокосмический ЛА, его части и устройства старта.
Строго названия у аппарата данного типа нет. Его называют космический самолет, космолет, астролёт, воздушно-космический самолет (ВКС) и т.д. «ВКС - вид пилотируемого реактивного ЛА с несущей поверхностью (в частности, крылатого), предназначенный для полетов в атмосфере и космическом пространстве, сочетающего свойства самолета и космического ЛА. Рассчитан на многократное использование, должен быть способен взлетать с аэродромов, разгоняться до орбитальной скорости, совершать полет в космическом пространстве и возвращаться на Землю с посадкой на аэродром» .
ВКС предназначен для полета в атмосфере и за ее пределами — в космическом пространстве, а также рассчитан на маневрирование в атмосфере с использованием аэродинамических сил .
Космолёт - либо цельная многоразовая космическая система (КС), либо часть многоразовой КС с возвращаемыми элементами, причем «возвращаемость» - главное условие «многоразовости» КА. Любая многоразовая КС должна отвечать требованиям высокой надежности, безопасности, минимального риска для экипажа и полезного груза при выполнении полётных задач, также должна обладать преимуществами обычных реактивных самолётов в эксплуатации и обслуживании, осуществлять всепогодный старт и посадку .
Еще одно положение связано с определением степени «многоразовости» - возвращать всю многоразовую систему (по ступеням) или только её часть. Одноразовые системы требуют отведения площадей для падения первых ступеней ракет, а также обтекателей. Вторые ступени в лучшем случае сгорают в атмосфере, а в худшем - падают на землю или в океан, или остаются на орбите на долгое время, становясь космическим мусором.Новые отношения к экологии Земли и космического пространства, а также нежелание государств «бросать деньги на ветер» (в прямом смысле!) ведут к необходимости создания многоразовой КС.
Многоразовость - еще и энергетические потери из-за элементов конструкции КС, обеспечивающих саму многоразовость (крыльев, шасси, парашютных систем, дополнительного топлива для двигательной установки и пр.). Требуются новые конструкционные материалы, новые технологии, более эффективные, чем сегодня, двигатели.

Этапы полета
Каким бы ни был общий сценарий полёта космолёта, он обязательно включает:
- взлет и выход из атмосферы,
- вход в атмосферу и посадка,
- полет в космическом пространстве.

Этап «Взлет и выход из атмосферы»
Почти все проекты преследуют одну цель - уменьшить массовую долю топлива в ракете-носителе (РН) или космолёте (в РН более 90% массы приходится на топливо) .

1 Ракета-носитель
Наиболее известными, и развитыми системами запуска являются системы вертикального старта со специальными площадками, на которых размещены мачты, удерживающие ЛА в вертикальном положении (космодром). Такие системы применялись, в основном, для запуска воздушно-космических аппаратов (ВКА), выводимых РН (ЛКС, Dyna-Soar) и ВКА с вертикальным стартом (Энергия-Буран, Space Shuttle) , . Был разработан также вариант РН, в котором боковые блоки первой ступени, отделившись, выпускали крыло и осуществляли посадку на аэродром, а центральный блок второй ступени, выйдя на орбиту и выгрузив ПН, входил в атмосферу и приземлялся с помощью треугольного крыла («Энергия-2») .
Или - ЛА выводится на орбиту отдельной РН, и до выхода на стабильную орбиту двигатели самого ЛА не используются. Примерами такой системы старта являются ракетопланы Dyna-Soar (США), «Бор» (СССР), ASSET и PRIME (США), многоразовые транспортные КС «Энергия-Буран» (СССР) и «Space Shuttle» (США) , , .
РН разрабатывают и производят во многих странах мира. Основными производителями являются Россия (40%), США (26%), страны ЕС (21%), КНР (20%), Украина (6%), Япония (4%), Индия (4%), Израиль (1%). Главными критериями конкурентоспособности являются масса выводимой ПН, конструкция, экологичность и др., а одной из основных характеристик РН является их надежность. Наивысшим показателем по этому параметру обладает российская система «Протон» — 97% успешных запусков, что превышает средние результаты на 10-20%.

2 Самолёт-носитель
«Воздушный старт» - один из самых перспективных способов вывода ЛА, активно развивается разными разработчиками вывод с помощью самолета-носителя (СН).
ЛА выводится на высоту с помощью СН, отделяется от него и с помощью собственных двигателей довыводится на орбиту. Возможна установка дополнительного ракетного ускорителя.
Этот способ выведения обладает целым рядом преимуществ . Ожидаемый эффект при использовании СН - на 30-40% больше ПН, чем при старте с Земли .
Одной из предстартовых операций является заправка КА и РН компонентами топлива. Но заправку топливом можно производить и в полёте [ИЗ 2000257]. Полёт с дозаправкой состоит из нескольких этапов (2).
Рис.2
Функции СН может выполнять экраноплан, обладающий наибольшей грузоподъемностью на единицу собственного веса из всех ЛА тяжелее воздуха. Экраноплан может двигаться над сушей [ИЗ 2404090] или над поверхностью воды [ИЗ 2397922].
Разработчики из США предложили трехступенчатую систему [ИЗ 2191145] со спасением всех трех ступеней (3). Под крылом СН (ступень I), например, самолет С-5 или Ан-124. подвешивается другой самолёт с расположенным на его «спине» грузовым отсеком, где помещается ступень III с обтекателем, в котором находится ПН. Полностью заправленные самолёты взлетают с аэродрома вблизи экватора. СН поднимается на высоту и развивает скорость, достаточную для запуска ПВРД ступени II. Ступень II отделяется и выходит на суборбитальную траекторию. При выходе из плотных слоев атмосферы отделяется ступень III, которая в апогее довыводит ПН на орбиту. Ступень II возвращается самостоятельно, ступенью III «подхватывается» и возвращается вместе с СН.
Рис.3
Многоразовая ракетно-космическая система [ИЗ 2232700] с очень большим количеством (до 10) одинаковых цельновозвращаемых ступеней (4). Все ступени расположены одна над другой с незначительным смещением и ничем не отличаются друг от друга, только первая ступень имеет сбрасываемые крылья, которые оборудуются спасательными парашютами. Взлёт КС осуществляется горизонтально с многоразовой тележки с помощью сбрасываемых крыльев. ПН располагается в грузовом отсеке последней ступени или в специальной грузовой капсуле, прикрепленной к последней ступени. На орбиту выходит только последняя ступень, а на старте работают двигатели всех ступеней, при этом они питаются из бака первой ступени. После исчерпания топлива в баке первой ступени эта ступень отделяется, а топливо потребляется из бака второй ступени. Сбрасываемые крылья отделяются после перехода КС в вертикальный полёт и приземляются, каждое - на индивидуальном парашюте.
Рис.4
Старт ЛА (5) со специальной, напоминающей вертолёт, фермы с винтами, под которой подвешивается ЛА, позволяет поднять ЛА на высоту до границы тропосферы [ИЗ 2268209]. В конструкции используются винты с разным приводом и разным количеством лопастей. Многолопастные винты приводятся высоковольтными электродвигателями с редукторами, а немноголопастные винты имеют реактивный привод.
Рис.5

3 Контейнер
Еще в 1954 году В.Н.Челомей предложил запускать ЛА из трубчатого контейнера, снабженного внутри направляющими для старта ЛА. Контейнер мог располагаться на подводной лодке (герметичный), надводном корабле, наземном подвижном или неподвижном устройстве [АС 1841043], [АС 1841044] и применяться для запуска ЛА с раскрывающимися или нераскрывающимися в полете крыльями. Возможно применение трубчатого контейнера для старта ЛА типа самолётов. Крыло и оперение ЛА могут быть автоматически раскрывающимися по выходе из контейнера. В целом система позволяет расположить максимальное количество ЛА в контейнерах на заданном пространстве, осуществить максимально быстрый старт ЛА без предварительного вывода из контейнера, без предварительного раскрытия крыльев и применения дополнительных специальных стартовых устройств.
Из транспортно-пускового контейнера стартуют РН «Рокот» и «Днепр» .

4 «Пушечный» старт
Комбинированный пушечно-ракетный («миномётный») старт из транспортно-пускового контейнера уже применяется для запуска РН РС-20 «Днепр» . В пусковой шахте размещается транспортно-пусковой контейнер, в контейнере находятся сама ракета и газогенератор, который включается перед стартом и облегчает старт ракеты.
В конце 90-х - начале двухтысячных годов как один из перспективных способов запуска КА разрабатывался т.н. пушечный старт - вывод на околоземную орбиту ПН (в т.ч. пилотируемых ВКА) из электромагнитной или газодинамической пушки . Принцип действия электромагнитной пушки: на металлический ЛА - своеобразный сердечник, находящийся внутри катушки соленоида, при наличии постоянного тока в обмотке катушки, воздействует сила Лоренца, выбрасывающая ЛА из ствола электромагнитной пушки, сообщая ЛА высокую скорость. После выстрела включаются двигатели самого ЛА. При вылете из ствола пушки (пушка в виде тора) ЛА будет иметь скорость около 10 км/с, однако из-за высокой плотности атмосферы вблизи поверхности Земли, после вылета из пушки скорость аппарата снижается.
Для уменьшения потерь скорости и снижении сопротивления воздуха при полёте в плотных слоях атмосферы, одновременно создается тепловой канал с помощью лазерного луча [ИЗ 2343091], [ИЗ 2422336] - в воздухе создается электрический пробой (плазменный канал), затем из-за поглощения лазерного излучения газами атмосферы образуется тепловой канал с пониженным давлением, по которому движется корабль.

5. Старт с эстакады
ЛА стартует на тележке с реактивными двигателями по специальной эстакаде. Тележка тормозит у конца эстакады, а ЛА отделяется от тележки и запускает собственный ракетный двигатель .
Особенность реализации старта с тележки эстакадного старта [ИЗ 2102292] - ледяная поверхность, по которой двигается ЛА на тележке (6).
Рис.6
Разработчики предлагают системы с эстакадой в форме трубы, в которой движется тележка с ЛА [ИЗ 2381154].
Также могут быть реализованы системы, объединяющие электромагнитную пушку с эстакадой. ЛА разгоняется внутри трубы, имеющей обмотку, и выстреливается вверх [ИЗ 2239586].

6 Аэростат
Интересны разработки, в которых ЛА - аэростат, заполненным водородом, который и потребляют двигатели [ИЗ 2111147], [АС 1740251]. Такая конструкция [ИЗ 2111147] помогает решить проблему взлета заправленного аппарата. Старт воздушно-космической транспортной системы производится с поверхности Земли. Подъем возвращаемого аппарата производится за счет аэростатической подъемной силы, создаваемой находящимся в баллонах водородом (7). В результате работы двигателей обеспечивается разгон возвращаемого ЛА до скорости М = 2,5 - 3,0. В качестве горючего двигателей на этапе разгона может быть использован водород из баллонов.
Рис.7

7 Морской старт
Для запуска непосредственно с экватора с максимальным использованием эффекта вращения Земли КА различного назначения на околоземные орбиты, включая высокие круговые, эллиптические, без ограничений по наклонению орбиты, геостационарную орбиту и отлетные траектории предназначен ракетно-космический комплекс «Морской старт» , .
Разумеется, рассмотрена только малая часть возможных вариантов старта и вывода ЛА за пределы атмосферы.

Сравнение горизонтального и вертикального старта
Ведутся дискуссии, какой вид старта лучше - горизонтальный или вертикальный?
При вертикальном старте необходимо применять двигатели с силой тяги больше веса ракеты. Такие двигатели имеют большую массу, чем двигатели для горизонтального старта. При вертикальном старте практически невозможно применять ВРД. Но для вертикального старта не нужны взлётные полосы, только относительно компактный стартовый стол. Недостатки - гравитационные потери и опасность разрушения стартового комплекса обломками в случае аварии РН через несколько секунд после старта.
При горизонтальном старте можно применять менее мощные двигатели, а для первого этапа полёта - вместо ракетных использовать ВРД. Правда, горизонтальный старт влечет энергетические потери из-за средств обеспечения горизонтального старта - крыльев и шасси, но эти потери можно минимизировать. С горизонтальным стартом проще организовать систему спасения первой ступени. Недостатком можно считать отведение больших площадей под взлётно-посадочные полосы. Эту проблему поможет решить использование для взлёта и посадки ВПП стандартных аэродромов. Предполагается повышение опасности разрушения озонового слоя атмосферы, расположенного на высотах 15-35 км, от работы реактивных двигателей. При вертикальном старте ракета пролетает этот слой за 30-40 секунд. Проблема экологической опасности может быть решена, например, подбором специальной траектории полёта: разгон до высоких скоростей на высоте 12-14 км, выполнение «горки» с временным увеличением угла к горизонту до ~50 градусов с быстрым пролётом сквозь озоновый слой (губителен полёт в слое свыше 10 минут), а затем уменьшение угла к горизонту до 10-20 градусов на высоте свыше 36 км. Однако такой сценарий может привести к увеличению аэродинамических потерь.
Выбор типа старта определяет конструктор. Некоторые конструкторы - за вертикальный старт, некоторые - за горизонтальный. В.М.Мясищев отдавал явное предпочтение горизонтальному старту. Так родился проект космолёта «М-19» с ядерным двигателем, старт которого должен был состояться, по оценкам Мясищева, в 1990 году (через два года после единственного старта «Бурана») , .

Этап «Вход в атмосферу и посадка»
Основной проблемой возвращения с околоземной орбиты является нагрев ЛА от трения о воздух в плотных слоях атмосферы. Материалы корпуса и защитные покрытия - целое направление разработок. Одновременно могут и должны решаться задачи:защиты от нагрева при взаимодействии с атмосферой при взлете и посадке в условиях высоких скоростей и атмосферного нагрева; воздействия солнечной радиации в космическом пространстве, высокого градиента температур на солнечной и теневой стороне, длительного и кратковременного термического воздействия энергетических установок, а также по защите от оружия, в т ч. лазерного.
Для защиты КА от теплового разрушения существует три основных метода охлаждения , , каждый со своими достоинствами и недостатками:
- «горячая» конструкция - охлаждение производится излучением;
- абляция - охлаждение производится испарением покрытия, покрытие заменяется после каждого полёта;
- теплоизоляция с помощью керамических плиток на днище.
Крылатые КА имеют преимущество при спуске в атмосфере: снижаются перегрузки и тепловая нагрузка, повышается маневренность и точность посадки аппарата, но крыло тонкого профиля является уязвимым для воздействия высоких температур .
Проектные работы по пилотируемым возвращаемым КА типа «космоплан» начались в 1960 году в ОКБ-52 (сейчас «НПО Машиностроения»). В результате появился пилотируемый ракетоплан Р-2 и РН УР-500, позже ставшая «Протоном». Р-2 как и все крылатые КА разработки В.Н.Челомея, имел раскладывающиеся крылья ,в отличие от большинства аналогичных проектов других КБ. В 1960-е годы технологии теплозащиты значительно отставали от требований к теплонагруженным элементам. Поэтому первые пилотируемые аппараты СССР и США имели форму сферы и обратного конуса без смещения центра масс .
Для уменьшения эффектов нагрева крыльев воздушно-космических ЛА разрабатывают разные конструкции самого крыла.
Комбинированная тепловая защита [ИЗ 1840531] - на внешней стороне (8) находится обшивка из кварцевых плиток с внешним радиационным покрытием, прикрепленная к силовому набору, а в зоне отсеков, образованных внешней обшивкой и силовым набором, установлен капиллярно-пористый материал толщиной 2-3 мм, который увлажняется жидким хладагентом с обеспечением отвода испарившегося хладагента.
Рис.8
Еще в 1976 году НПО Энергия предложило использовать для защиты магнитное поле. Температура воздуха, соприкасающегося с кораблем при торможении с первой космической скоростью, достигает ~8000оC, происходит ионизация воздуха. Без наличия внешнего магнитного поля ионы диффундируют в район фюзеляжа, где холоднее, и происходит реакция рекомбинации, из-за которой выделяется тепло. Внутри космолёта (9) возможно устанавливать мощные постоянные магниты, которые создают магнитное поле [АС 1840521], затрудняющее диффузию ионов и электронов к поверхности фюзеляжа, поэтому реакции рекомбинации будут происходить на большем расстоянии от фюзеляжа, нагрева фюзеляжа от тепла этих реакций уменьшится.
Рис.9
Возможна реализация охлаждения размораживанием, когда твердый элемент конструкции переходит в жидкое состояние и эта жидкость отводится за борт или в бортовую магистраль [ИЗ 2033947]. Преимуществом такой конструкции - твердый хладагент до расплавления может являться элементом конструкции.

Коридор входа
Для уменьшения вероятности разогрева и разрушения ЛА при входе в атмосферу необходимо знать и использовать «природные» возможности. Для планет, кроме Меркурия, и спутников (Титан, Энцелад, возможно - Ганимед) с атмосферой надо помнить о т.н. коридоре входа - разнице высот перигея между допустимыми предельными значениями для высот ниже и выше запланированной . Высота ниже запланированной приведет к поломке или сгоранию КА, а выше - к покиданию КА пределов атмосферы. Ширина коридора зависит от допустимых ограничений по тепловой нагрузке и перегрузкам для конкретного аппарата; при параболической скорости - примерно равна: Венера - 113 км, Земля - 105 км, Марс - 1159 км, Юпитер - 113 км, . Но даже в коридоре рассеянная энергия будет огромна. Экстремальный пример - вход аппарата «Галилео» в атмосферу Юпитера со скоростью 47,5 км/сек, за 4 минуты до открытия тормозного парашюта было рассеяно 3,8∙105 мегаджоулей. Температура поверхности составила 15000 К, испарилось 90 кг абляционного материала (при массе аппарата 340 кг).
Интересное преимущество имеет схема аппарата-диска с абляционно охлаждаемым днищем и вакуумной теплозащитой кабины . При входе в атмосферу под углом в 45 градусов кабина такого аппарата будет находиться в зоне практически абсолютного вакуума, что надежно защитит её от разогрева при входе.
Этап «Полёт в космическом пространстве»
В данной работе этот раздел подробно рассматривать не будем, перечислим лишь часть факторов, которые должны быть учтены при разработке и конструировании КЛА , , : ионизирующее излучение, измененное магнитное поле, солнечное излучение (УФ), вакуум (приводит к медленному испарению обшивки КА), метеоритная опасность, температурный градиент, космическое излучение, космический мусор, компоненты топлива.
Кроме того, существенное действие на человека оказывают условия пребывания на борту КА: ускорения, искусственная атмосфера, изоляция, гипокинезия, невесомость.

Компоновки и конструкции космолёта
Проекты космолетов выполняются, в основном, по двум схемам:
. Несущий корпус
. Самолетная.
Компоновка несущий корпус - отсутствуют горизонтальные аэродинамические поверхности, кроме управляющих - щитков, закрылков, рулей высоты и т.п. Предполагалось, что аппараты с несущим корпусом (АНК) будут выводиться в космос с помощью РН . Они имеют больший боковой маневр, чем баллистические аппараты, но тоже весьма ограниченный, а также не имеют вынесенных в поток острых кромок (кроме килей). Однако в процессе испытаний (в основном, в США, аппараты M2-F1, M2-F2 и др. по программе PILOT, ASV и ASE по программе ASSET и аппараты программы PRIME) выяснилось, что АНК имеют низкое аэродинамическое качество (<1 на гиперзвуке), неудовлетворительную устойчивость по крену и высокую скорость снижения, а величина бокового маневра увеличивалась не очень значительно.
Самолетная компоновка. Чаще всего космолет выполняют по схеме «бесхвостка» с дельтавидным крылом малого удлинения. Эта схема отличается значительной величиной бокового маневра, большей, чем у баллистических аппаратов и аппаратов с несущим корпусом. Однако аэро- и термодинамические расчеты крылатой схемы сложнее, а также требуется дополнительная теплозащита острых кромок крыла. Но эти недостатки с лихвой компенсируются достоинствами: возможностью доставить что-либо с орбиты и полным возвратом орбитального блока.
Каждая КС многоразового использования, в отличие от одноразовой РН, несет на себе средства возврата с орбиты или траектории выведения. Одним из таких средств возвращения являются аэродинамические поверхности - корпус или крыло .

1 Дисколёт
Может считаться самостоятельным классом с компоновкой, включающей и «несущий корпус», и «самолет».
Многоразовая воздушно-космическая система [АС 580696] предназначена для выведения на опорную околоземную орбиту ПН, а также возвращения с орбиты на Землю космических объектов с помощью транспортного космического корабля (10). Корпус (фюзеляж) и крыло ступеней и ТКК представляют единое целое корпус-крыло, профиль которого - полудиск для ступеней и диск для ТКК; обе ступени и ТКК в плане окружность или эллипс. Обе ступени и ТКК - пилотируемые и связаны проходами с возможностью перехода из одной кабины в другую.
Рис. 10
Воздушно-космическая взлетная система многократного применения с ЛА в виде диска с каплевидным поперечным профилем [АС 1740251] состоит из подсоединенного к стартовой направляющей ЛА с вакуумной энергетической установкой (ВЭУ) и соединенных со стартовой направляющей аэростатических оболочек - еще один вариант «аэростатного старта» (11).
ВЭУ вакуумирует аэростатические оболочки для подъема ЛА на необходимую высоту и установки стартовой направляющей под необходимым углом. ЛА осуществляет посадку на аэродром или на водную поверхность с сохранением устойчивого положения. Аэростатические оболочки возвращаются на Землю и используются повторно.
Рис.11
Инженеры не отказываются и от идеи ЛА в форме диска и в 21 веке. Дископлан [ПМ 57238] с множеством термоядерных ракетных двигателей на окружности, сможет развивать скорость от 0 до 15 км/с и перевозить грузы на поверхность Луны, осуществлять работы на геостационарной орбите.
Экранолёт ЭКИП стал вдохновителем ЛА тарельчатой конфигурации [ИЗ 2396185] с фюзеляжем в форме диска.

2 Несущий корпус
Для решения целого ряда космических задач может быть использован космический ЛА [ИЗ 2137681] с корпусом в виде монокрыла (12), в котором размещены три связанные между собой фюзеляжа, установлены топливные баки и несколько групп реактивных двигателей - маршевые, взлётно-посадочные, тормозные и газотурбинные. Средства электроснабжения содержат также солнечные батареи.
Рис.12

3. Самолетная компоновка
Предложенные схемы чрезвычайно разнообразны.
Как крылатый «челнок» с полостями,для РН, выполнен КА многоразового использования [ИЗ 2111902]. Это позволяет улучшить управляемость «челнока» на участке выведения из-за устранения несоосности тяги из-за размещения челнока сбоку от РН. КА взлетает вертикально, и по истечении времени работы РН происходит их отделение от «челнока». Похожая идея отбрасывания встроенного РН реализована (или будет реализована) в ракетоплане Lynx.
Интересным и неожиданным является предложение использования для доставки ПН на орбиту аппаратов разного базирования [ИЗ 2120397]. Независимо действующие ЛА - ВКС, базирующийся на орбитальной космической станции, и транспортный самолёт (ТС) наземного базирования вылетают каждый со своей базы. В атмосфере Земли происходит стыковка и обмен грузами во время совместного полёта, расстыковка и возвращение каждого самолёта на точку базирования.
Двухступенчатый космолёт разработки Н.Е.Староверова [ИЗ 2503592] состоит из крылатых первой и второй ступеней и бескрылого твердотопливного ракетного ускорителя (одноразовый), расположенного между ними. Первая ступень и ракетный ускоритель являются беспилотными, вторая ступень - пилотируемая. При старте работают двухконтурные турбореактивные двигатели. Разгон и подъем выполняются с последовательным включением режимов двигателей, под разными углами к горизонтали.
Конечно, особый интерес представляют одноступенчатые системы, способные стартовать с поверхности Земли.
Разработку одноступенчатых КА ведет индийская компания Эдвайзер, Дифэнс Рисерч Энд Дев.оргн - одноступенчатый аэрокосмический самолёт [ПО 51288]. оснащен двумя ВРД и двумя ЖРД, а воздухозаборник - прямоугольной формы.
В США SUNSTAR IM разрабатывает персональный одноступенчатый космолёт «гаражного базирования» . Предполагается, что космолет будет выходить на орбитальную траекторию и, вероятно, стыковаться с орбитальной станцией. Особенность конструкции - возможность складывания шарнирно соединенных с фюзеляжем крыльев (13) для хранения и доставки к месту старта и обратно.
Рис.13
Одно из направлений - туристические космолёты.
Компания «Российский авиационный консорциум» разрабатывает [ПО 78697] суборбитальный туристический самолёт.
МАИ - один из разработчиков проекта аэрокосмической системы научно-спортивного назначения . Система включает суборбитальный ракетоплан с самолётом-носителем МиГ-31С, наземную систему обслуживания и спортивно-технический комплекс подготовки потенциальных экипажей.
Космический туризм - единственное направление, в котором сейчас реализованы космолёты. В 2016 году планируется первый полёт суборбитального аэрокосмического самолёта Lynx, а туристическая суборбитальная капсула SpaceShipTwo и самолёт-носитель WhiteKnightTwo (двухступенчатая система) уже несколько лет находятся в опытной эксплуатации. Однако космический туризм - дорогое удовольствие. Один из энтузиастов авиационного и космического туризма Р. Брэнсон жаловался, что космическое путешествие либо астрономически дорогое: в Советском Союзе (там так написано!) за полёт на МКС с него запросили 30 миллионов долларов, либо неудобное и небезопасное .
На корабле SpaceShipTwo , , установлен гибридный ракетный двигатель с твердым горючим и жидким окислителем. SpaceShipTwo рассчитан на 8 человек - 2 членов экипажа и 8 пассажиров. Цель компании - полеты должны быть безопасны и доступны по цене . Самолёт-носитель WhiteKnightTwo - двухфюзеляжный, между фюзеляжами крепится капсула SpaceShipTwo .
Космический самолет , способный развивать скорость более 0,9 Маха и обеспечивать транс- и/или сверхзвуковой полет, разрабатывает компания ASTRIUM SAS (Airbus), Франция. Самолет оснащен двумя турбореактивными двигателями, работающими при полете в атмосфере, и ракетным двигателем. При выходе их атмосферы воздухозаборники закрываются специальными подвижными куполообразными клапанами, повторяющими форму фюзеляжа самолета.
Суборбитальная одноступенчатая КС Lynx , компании XCOR Aerospace Incompany (США) может применяться для доставки в космос туристов, проведения научных исследований и выведения на низкую орбиту ПН массой до 650 кг с помощью внешнего разгонного блока. Без внешнего отсека с разгонным блоком Lynx может применяться для доставки в космос нескольких туристов или туриста и комплекта научных приборов для проведения исследований космического пространства.
Lynx использует ракетные двигатели многократного включения с искровым зажиганием, работающие на компонентах жидкий кислород - жидкие углеводороды (керосин, метан, этан, изопропанол).
Британская компания Bristol Spaceplanes разрабатывает космолёт для перевозки туристов. Ascender - суборбитальный ракетоплан, может доставить на высоту до 100 км одного пилота и одного пассажира или одного пилота и комплект научной аппаратуры.
Ascender должен положить начало разработке двухступенчатой системы Spacebus, орбитального ЛА, способного перевозить до 50 пассажиров и обеспечить перелет из Европы в Австралию примерно за 75 минут. Так как основу проекта составляют, по возможности, стандартные элементы авиационных и космических систем, стоимость полета Spacebus будет меньше стоимости полета Шаттла в 100 раз.
Новостью 2004 г. стала представленная ЭМЗ им. В.М.Мясищева и «Суборбитальная корпорация» аэрокосмическая система Cosmopolis-XXI (C-XXI) - связка из самолёта-носителя М-55 «Геофизика» и суборбитального ракетоплана . Проект не реализован.

Двигательные установки космолёта
Какой бы хорошей ни была конструкция, каким бы продуманным ни был план полёта, КЛА никуда не полетит без двигателя.
Предполагалось, что для ведущих космических держав уже к концу 1980-х годов обычной задачей будет выведение совокупного полезного груза массой 900 - 1000 тонн. В качестве наиболее перспективных двигателей рассматривались ЯРД с газофазной активной зоной, термоядерные и импульсные термоядерные двигатели .
Любая двигательная система (ДС) должна включать источник энергии, источник рабочего тела (отбрасываемой массы) и собственно двигатель, причем в некоторых типах двигателей источник энергии и рабочее тело совмещены (химические двигатели).
Условно энергетические установки можно разделить на три группы :
1. Автономные - источник энергии и рабочее тело находятся на борту (ЖРД и другие химические, ЯРД);
2. Полуавтономные - ДС с внешними источниками энергии: двигатели, использующие энергию внешних лазеров, СВЧ-генераторов, Солнца («в металле» существуют только ионные и плазменные);
3. Неавтономные двигатели, использующие в качестве рабочего тело атмосферу, межпланетную среду, материал планет и астероидов, а также солнечный ветер (солнечный парус).
Двигатели подразделяются по виду источников энергии, исходному состоянию рабочего тела и другим признакам.
Ни один из существующих ВРД не может применяться на космолете во всех режимах полёта. Поэтому сама концепция с разгоном на ВРД требует комбинированной двигательной установки с двигателями разных типов. Борьба за скорость полёта - прежде всего борьба за повышение мощности и эффективности двигателя.
Рассмотрим некоторые виды перспективные для использования на космолётах двигателей.

Жидкостный реактивный двигатель
ЖРД - наиболее распространенный двигатель КА и РН. Особенностью ЖРД является возможность работы во всем диапазоне высот. Однако ЖРД потребляют большое количество горючего и окислителя, а также имеют относительно невысокую эффективность.
Перспективные направления разработок:
- ЖРД с регулируемой площадью критического сечения; удельный импульс при уменьшенном значении тяги увеличивается на 3-4 % .
- ЖРД с изменяемым в процессе работы соотношения компонентов топлива Кm (окислитель - жидкий кислород, горючее - жидкий водород) в несколько раз (до Кm=15) во время работы камеры сгорания; ввод двигателя на номинальный режим (Кm=6) осуществляется после набора высоты, что обеспечивает высокий удельный импульс тяги; обеспечивается меньший расход водорода и уменьшение габаритов и массы баков.

Гибридные ракетные двигатели (ГРД)
Фактически, ГРД - обычные ракетные двигатели, в которых компоненты топлива находятся в разных фазах, например, жидкое горючее - твердый окислитель,или твердое горючее - жидкий окислитель . По характеристикам ГРД занимают промежуточное положение между ЖРД и РДТТ. Преимущества ГРД - требуют управление подачей только одного компонента, для второго не нужны баки, клапаны, насосы и др., имеют возможность управления тягой и отключения, не требуют отдельных систем охлаждения стенок камеры сгорания: испаряющийся твердый компонент охлаждает стенки. Двигатель именно такого типа установлен на космическом самолёте SpaceShipTwo , .

Прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД)
ПВРД из-за относительной простоты конструкции, а также возможности работать в широком диапазоне скоростей рассматривается во многих проектах космолётов . В этих проектах ПВРД играют роль основного двигателя для разгона в атмосфере, так как практически не имеют ограничений по максимальной скорости атмосферного полёта. Эффективность и мощность ПВРД возрастают со скоростью и высотой . Один из недостатков ПВРД - для их запуска требуется разгонять аппарат до скоростей около 300 км/ч, а в случае гиперзвуковых ПВРД до сверхзвуковых скоростей с помощью двигателей других типов.
В ПВРД может применяться твердое порошковое горючее, например уголь. Предлагалось использование угольного порошка в качестве первичного горючего в проекте самолёта Li P.13 А.Липпиша.
Самой перспективной конструкцией ПВРД считается гибридный ракетно-прямоточный воздушно-реактивный двигатель . Такой двигатель имеет более высокий удельный импульс, нежели ЖРД, и более высокую тягу на 1 м2 площади сечения, а в ряде случаев и более высокое значение удельного импульса. РПВРД может быть эффективно использован в широком диапазоне скоростей. Состоит из ракетного контура - газогенератора, представляющего собой РДТТ, ЖРД или ГРД, и прямоточного контура.
Применение металлов в качестве горючего обусловлено их высокой активностью, значительным тепловыделением и позволяет создать принципиально новые высокоэффективные ПВРД для управляемых ракет. Преимущества ПВРД на порошкообразном металлическом горючем, использующих в качестве окислителя атмосферный воздух, состоят в том, что они обеспечивают высокие ТТХ, могут использоваться в широких диапазонах скоростей, при этом надежны в обращении и хранении.
Одна из задач конструирования ПВРД - обеспечение полного сгорания топлива. Интересный способ решения предложили сотрудники Корпорации «Тактическое ракетное вооружение» [ИЗ 2439358]. В качестве топлива предложен порошок металла, например алюминия или магния. В форкамере образуется воздушно-порошковая взвесь с избытком воздуха и начинается горение этой смеси. Частицы порошка полностью сгорают в камере дожигания. Образуется реактивная струя.
КБ Химавтоматики совместно с ЦИАМ разрабатывает исследовательский гиперзвуковой ПВРД - осесимметричный гиперзвуковой ПВРД . ГПВРД 58Л с камерой прямоугольного сечения предназначен для экспериментальных исследований рабочих процессов при горении водорода в сверхзвуковом потоке. В 1998 г. успешно проведено летное испытание двигателя, при котором впервые в мире была достигнута скорость 6,35 Маха.
Также были проведены лётные испытания модельного осесимметричного двухрежимного ГПВРД на жидком водороде в диапазоне чисел Маха полёта от 3,5 до 6,5 на высоте до 28 км.
Одновременно учёные ЦИАМ создают новую схему сверхзвукового пульсирующего детонационного прямоточного двигателя (СПДПД) со сверхзвуковым потоком в детонационной камере сгорания и с горением в пульсирующей детонационной волне. Расчеты для водородно−воздушного СПДПД показали, что при полете на высоте H = 25 км он может работать при числах Маха полета м/с от 4,5 до 7,5 .

Ядерный ракетный двигатель (ЯРД)
Использование тепловой энергии реакций деления ядер нестабильных элементов представляется наиболее перспективным направлением развития тепловых ракетных двигателей.
ЯРД - ракетные двигатели, источником энергии для которых является ядерное ракетное топливо ; имеют более высокий удельный импульс, чем самые эффективные ЖРД. Но при этом ЯРД имеют большую массу, чем ЖРД, так как оснащены радиозащитным экраном.
ЯРД расходует малое количество топлива в течение длительного времени и может долгое время работать без дозаправки .
Основные классы ЯРД:
- непосредственного нагрева: рабочее тело нагревается при прохождении через область, содержащую делящееся вещество (РД-0410) ;
- с промежуточной системой преобразования энергии, где ядерная энергия вначале превращается в электрическую, а электрическая используется для нагрева или ускорения рабочего тела, т.е. они представляют собой ядерный реактор и связанные с ним ЭРД («ТОПАЗ 100/40») , .
ЯРД РД-0410 может применяться для разгона, торможения КА и коррекции их орбиты при освоении дальнего космоса. Этот двигатель выполнен по замкнутой схеме, рабочее тело - жидкий водород. Благодаря термодинамическому совершенству рабочего тела и высокой температуре нагрева его в ядерном реакторе (до 3000 К), двигатель имеет высокую экономичность, удельный импульс тяги в вакууме - 910 кгс.с/кг, что вдвое лучше, чем у ЖРД на компонентах водород-кислород и в 1,85 раза выше, чем у водород - фторных ЖРД . Но это также - история. КБХА было поручено разработать ЯРД РД0410 и РД0411 в 1965 г. .
ЯРД прошли многолетние детальные исследования: в течение 70 - 90-хx годов в космосе эксплуатировалось более трёх десятков ядерных электрических установок (ЯЭУ) трёх модификаций, предназначенных для питания электроэнергией аппаратуры КА по принципу преобразования тепловой энергии ядерного реактора в электричество в полупроводниковом термоэлектрическом генераторе .
Работы по созданию ЯЭУ для КА продолжает АО «Красная звезда» , [ИЗ 2421836], [ИЗ 2507617].
Однако ЯРД и ЯЭУ до сих пор не нашли практического применения даже в демонстрационных полётах, хотя продолжают считаться перспективными для дальних космических полётов. Высказывались и сомнения, нужен ли такой двигатель и будет ли он разработан .
При работе ЯРД испускает радиоактивное излучение, поэтому требуется радиационная защита корабля. В атмосфере требуется полная защита, а в космосе достаточно теневой, когда двигатель экранирован от основного корабля защитным экраном .
Захоронение ЯЭУ после окончания эксплуатации производится переводом на орбиту, где время существования реактора достаточно для распада продуктов деления до безопасного уровня (не менее 300 лет). В случае любых аварий с космическим аппаратом ЯЭУ имеет в своём составе высокоэффективную дополнительную систему радиационной безопасности (ДСРБ), ипользующую аэродинамическое дисперсирование реактора до безопасного уровня .
Вернемся к прогнозам. В 1966 году Ю.Конеччи писал, что по самой пессимистичной оценке ввод в эксплуатацию ЯРД с газофазной активной зоной станет 1990 г. … Прошла четверть века.

Лазерный ракетный двигатель (ЛРД)
Считается, что характеристики ЛРД лежат между характеристиками ЯРД и ЭРД .
ЛРД предназначен для обеспечения тяги ЛА, приводимому в движение плазменной вспышкой, инициированной лазером. С 2002 года КБХА в кооперации с ИЦ им. М.В.Келдыша и НИИНИ оптико-электронных приборов занимается исследованием проблемы создания ЛРД, который существенно экономичнее традиционных двигателей на химическом топливе.
В проекте другого ЛРД [ИЗ 2559030] принцип действия отличается. В камере сгорания с помощью лазера создается непрерывный оптический разряд. Рабочее тело, взаимодействуя с плазмой разряда, приобретает сверхзвуковую скорость.
Фотонный ракетный двигатель - гипотетический ракетный двигатель, создающий тягу в результате направленного истечения из него фотонов, имеет предельное значение удельного импульса, т.к. поток фотонов имеет предельно достижимую скорость - скорость света. . Развитие теории фотонных ракет имеет давнюю историю. По мнению Э.Зенгера фотонные ракеты, приводимых в движение реакцией потока фотонов, выбрасываемых из ракеты, позволят совершать полеты в самые отдаленные области Галактики
Возможно, это вопрос терминологии. Фотонными сейчас иногда называют двигатели с использованием лазера, в 1958 г. лазеры еще не созданы. Фотонный двигатель [ПМ RU 64298] «обычной» конструкции в качестве источника фотонов содержит мощный лазер; отличительная особенность - применение оптического резонатора, что позволяет повысить тягу двигателя.
Еще один фотонный двигатель [ИЗ 2201527] отличается тем, что в нем в качестве резонатора применяется кристалл алмаза и радиальные зеркала. Резонатор также применяется для увеличения тяги.

Электрореактивный двигатель (ЭРД)
ЭРД выбрасывают рабочее тело с помощью электромагнитного поля или нагрева рабочего тела электроэнергией. В большинстве случаев необходимая для работы ЭРД электрическая энергия берется внутренних источников питания (радиоизотопного термоэлектрического генератора (РИТЭГа), аккумуляторов) или от Солнца.
Основные классы ЭРД, рабочие процессы принципиально разные , :
- ионные
- двигатели с азимутальным дрейфом электронов
- сильноточные двигатели
- теплообменные ЭРД.
В ионных ЭРД рабочим телом служат ионы благородного газа (в большинстве проектов - ксенона), а в случае теплообменных электрореактивных двигателей - пары легкоплавких металлов. Первым ксеноновым ионным двигателем, использовавшимся в космосе, был двигатель RITA на миссии Eureca (ESA), проходившей в 1992 году , .
ЭРД имеют достаточно высокий КПД, достигающий 0,7. Именно ЭРД в комбинации ядерным реактором предлагались в качестве основных двигателей прилёта/отлёта для полёта на Марс .
В настоящее время ЭРД применяются на некоторых КА в качестве двигателей ориентации, основных разгонных двигателей межпланетных КА (Deep Space 1, SMART-1), двигателей малой тяги для поддержания и сверхмалых коррекций орбиты .
История разработки ионных двигателей насчитывает не одно десятилетие. Так, одним из источников информации для разработки ионного двигателя компании «Мессершмитт - Бёлков-Блом Гмбх» (ФРГ) [патент 682150] была книга С. Л. Айленберга и А. Л. Хюбнера выпущенная еще в 1961 году.

Области применения космолета
1 Военное применение (получение развединформации о действиях вероятного противника, разведка и поражение космических целей противника и т.п.) , для этого создавались первые космолеты
2 Доставка в космос полезного груза;
3 Доставка на орбитальные станции грузов и экипажа. Сейчас доставка грузов на МКС может быть выполнена только кораблями «Прогресс» (Россия), «Dragon» (США), «Cygnus» (США), «HTV» (Япония); доставка людей - только корабли «Союз» (Россия)
4 Заправка межпланетных кораблей
5 Испытания перспективных ДУ с возможностью их возврата на Землю
6 Захват и доставка на Землю космического мусора
7 Исследование верхних слоев атмосферы
8 Доставка полезного груза на орбиту искусственного спутника Луны (ИСЛ)
9 Инспекция и обслуживание спутников
По современным оценкам, возможное распределение задач, выполняемых космолётом: 57% - космический туризм; 18% - проведение научных исследований; 12% - оперативное дистанционное зондирование и экомониторинг, 8% 5% - подготовка космонавтов и 5% - реализацию рекламных проектов .
В этот перечень не вошло еще одно перспективное направление для космическиж ЛА - добыча планетных полезных ископаемых .
Как показывает анализ, наиболее востребованным в ближайшее время может стать космический туризм.
Предпосылками для этого можно считать стечение ряда обстоятельств:
- широко развита авиация и аэронавтика,
- люди привыкли к полётам,
- накоплен значительный опыт полётов на пилотируемых КА,
- современные технологии производства ЛА гарантируют техническое совершенство и высокую степень надежности ЛА,
- появилось много людей, способных оплатить космический полёт,
- в современном потоке информации становится недостаточно «виртуальных» ресурсов.
Возможные сценарии туристических полётов (вернемся в 1966 - фантазия или фантастика(?)):
- суборбитальные полёты на высоту до 100 км,
- орбитальные, от нескольких часов до нескольких суток.
- орбитальные - 1-2 недели с остановкой в космическом отеле.
- полёты к Луне с выходом на ее орбиту, высадкой на поверхность и проживанием в отеле на поверхности продолжительностью от нескольких недель до нескольких месяцев;
- полёты к Марсу и его спутникам с выходом на орбиту, высадкой на поверхность и проживанием в отеле на поверхности Марса от нескольких дней до нескольких недель.
- облёты Юпитера, Сатурна и их спутников с высадками на поверхность спутников.
Для реализации необходимы надежные и безопасные многоразовые ЛА с малозатратным ремонтом и обслуживанием; конструкционные модули, усложняемые по мере освоения новых маршрутов; повышенная степень комфорта для экипажа и пассажиров; специализированная инфраструктура учебно-тренировочных центров для подготовки к полёту и послеполетной реабилитации; самостоятельная инфраструктура стартовых сооружений, посадочных площадок, управления полётами. Эти же принципы применимы для научных и исследовательских задач.

Заключение
Есть класс задач, требующих решения. Большая часть из них может быть решена с помощью космолётов, в особенности такие, как доставка полезных грузов и экипажа на орбитальные станции, выведение на орбиту автоматических КА, возврат с орбиты устаревших спутников с целями повторного использования их ценных компонентов, мониторинг земной поверхности и орбитальной обстановки, а также возврат с орбиты крупных объектов космического мусора, «развозка» космических туристов. Снова начинаются разработки космолётов. Некоторые из них уже достигли стадии опытной эксплуатации.

Вывод
Теоретические расчеты, исследования, а также пока немногочисленные, но реальные запуски показали возможности систем многократного использования. Сегодняшнее состояние технологий, экономики и политики дают реальный шанс для возобновления и развития построения высокоэффективных аэрокосмических транспортных систем и возможность в среднесрочной перспективе реализации близких полётов, а в долгосрочной - длительных, в том числе межпланетных, полётов различного назначения.
Прогнозы - вещь неблагодарная. По прогнозам, уже полтора десятка лет как мы должны обживать базу на Титане. Но, может быть, в 2030…

Список источников
1 Карпова Л.И. История авиации и космонавтики. Курс лекций в МГТУ. М., 2005
2 Космическая эра. Прогнозы на 2001 год. Ю.Конеччи и др./Пер. с англ. В.С.Емельянова. М.: Мир, 1970
3 Пилотируемая экспедиция на Марс./ П/р А.С.Коротеева. М.: Рос. ак-я космонавтики им. К.Э.Циолковского, 2006
4 Лопота В.А. Космическая миссия поколений XXI века, Полет, №7, 2010
5 Космические крылья. Лукашевич В., Афанасьев И., М.: ООО «ЛенТа Странствий», 2009
6 Феоктистов К.П., Бубнов И.Н. О космолётах, М.: Молодая гвардия, 1982
7 Золотой век космонавтики: мечты и реальность./Афанасьев И., Воронцов Д. М.: Фонд «Русские Витязи», 2015
8 Космонавтика Маленькая энциклопедия. М.: «Сов. Энц.», 1970
9 Боно Ф., Гатланд К. Перспективы освоения космоса. Лондон, 1969. Сокр. пер. с англ. М.: «Машиностр.», 1975
10 www.buran.ru
11 Башилов А.С., Осин М.И. Применение наукоемких технологий в авиакосмической технике: Уч. пос. М.: МАТИ, 2004
12 Шибанов А. Заботы космического архитектора. М.: «ДЕТ. ЛИТ-РА», 1982
13 Славин С.Н. Тайны военной космонавтики. М.: Вече, 2013
14 www.bayterek.kz
15 www.airlaunch.ru
16 www.makeyev.ru
17 www1.fips.ru
18 www.federalspace.ru
19 www.sea-launch.comt
20 www.emz-m.ru
21 Авиапанорама, №5, 2013
22 Парфенов В.А. Возвращение из космоса Научно-популярная библиотека военного издательства. М.: Изд-во Воениздат 1961
23 www.npomash.ru
24 Сборник докладов ученых и специалистов ОАО «ВПК «НПО машиностроения» на XXXVI Академических чтениях по космонавтике, 2012
25 Разработка систем космических аппаратов/ П/р. П.Фортескью, и др.; Пер. с англ. М.: Альпина Паблишер, 2015
26 Акишин А.И., Новиков Л.С. Воздействие окружающей среды на материалы космических аппаратов, М.: Знание, 1983
27 Салахутдинов Г. М. Тепловая защита в космической технике. М.: Знание, 1982
28 Молодцов В.А. Пилотируемые космические полёты. 2002
29 ru.espacenet.com
30 www.mai.ru
31 Брэнсон Р. Достичь небес. Пер. с англ. М.: Альпина нон фикшн, 2013
32 www.virgingalactic.com
33 www.thespaceshipcompany.com
34 www.xcor.com
35 bristolspaceplanes.com
36 Соболев И. Летящие по параболе, Техника-Молодёжи, №, 2004
37 Дмитриев А.С., Кошелев В.А. Космические двигатели будущего. М.: Знание, 1982
38 Ерохин Б.Т. Теория и проектирование ракетных двигателей: Уч-к. СПБ.: Изд-во «Лань», 2015
39 www.kbkha.ru
40 Баев Л.К., Меркулов И.А. Самолёт-Ракета. М.: Гос. Изд-во технико-теоретической литературы, 1956
41 www.ciam.ru
42 Бассард Р., Делауэр Р. Ядерные двигатели для самолётов и ракет. Сокр. пер. с англ. Р.Авалова и др., М.: Военное изд-во, 1967
43 Однажды и навсегда... Документы и люди о Валентине Петровиче Глушко, М.: Машиностр., 1998
44 www.redstaratom.ru
45 КОНСТРУКТОРСКОЕ БЮРО ХИМАВТОМАТИКИ (брошюра). Воронеж, 2010
46 Зенгер Э. К механике фотонных ракет. Пер. с нем. В.М.Пацкевича; п/р И.М.Халатникова. М.: Изд-во иностр. лит-ры, 1958
47 Электрические ракетные двигатели космических аппаратов/С.Д.Гришин, Л.В.Лесков. М.: Машиностр.,1989
48 Аэрокосмическое обозрение №№3,4,5, 2005
49 Девять месяцев на МКС: репортаж с орбиты. Наука и жизнь, №1, 2016, стр. 39
50 Данилов С. Космос в коллизиях, иллюзиях и окклюзиях, Техника молодежи, №1, 2016

Аэрокосмический транспорт будущего

Мощным толчком ракета вертикально поднимается со стартовой площадки и уходит ввысь... Эта привычная картина в скором времени может кануть в Лету. На смену одноразовым космическим системам и «челнокам» должно прийти новое поколение аппаратов - воздушно-космические самолеты, которые будут обладать способностью взлетать и приземляться горизонтально, подобно обычным авиалайнерам. Участники международного исследовательского проекта знакомят читателей с некоторыми визуальными материалами, иллюстрирующими концепцию двухступенчатого аэрокосмического транспорта будущего

Дальнейшее развитие космонавтики определяется необходимостью интенсивной эксплуатации космических станций, развития систем глобальной связи и навигации, мониторинга окружающей среды в планетарном масштабе. Для этих целей в ведущих странах мира ведутся разработки воздушно-космических самолетов (ВКС) многократного использования, которые позволят существенно снизить стоимость доставки грузов и людей на орбиту. Это будут системы, характеризующиеся возможностями, наиболее актуальные из которых следующие: многоразовое использование для вывода на орбиту производственных и научно-технических грузов с относительно небольшим промежутком времени между повторными вылетам; возвращение аварийных и отработавших конструкций, засоряющих космос; спасение экипажей орбитальных станций и космических кораблей в аварийных ситуациях; срочная разведка районов стихийных бедствий и катастроф в любой точке земного шара.

В странах с развитыми авиационно-космическими технологиями достигнуты большие успехи в области высоких скоростей полета, которые определяют потенциальную возможность создания широкого спектра гиперзвуковых воздушно-реактивных самолетов. Есть все основания полагать, что в будущем пилотируемая авиация освоит скорости от чисел Маха M = 4–6 до M = 12–15 (пока держится рекорд M = 6,7, установленный еще в 1967 г. американским экспериментальным самолетом Х-15 с ракетным двигателем).

Если говорить о гражданской авиации, то освоение больших скоростей чрезвычайно важно для интенсификации пассажирских перевозок и деловых связей. Гиперзвуковые пассажирские самолеты с числом Маха 6 смогут обеспечить малоутомительную продолжительность перелета (не более 4 часов) на международных маршрутах с дальностью около 10 тыс. км, таких как Европа (Париж) – Южная Америка (Сан-Паулу), Европа (Лондон) – Индия, США (Нью-Йорк) – Япония. Вспомним, что время полета сверхзвукового «Конкорда» от Нью-Йорка до Парижа составляло около 3 часов, а «Боинг-747» затрачивает на этом маршруте около 6,5 часа. Самолеты будущего с числом Маха 10 за 4 часа смогут преодолеть 16-17 тыс. км, совершив беспосадочный перелет, например, из США или Европы в Австралию.

Новые подходы

Для гиперзвуковых самолетов необходимы новые технологии, совершенно отличные от тех, которые присущи современным самолетам и вертикально взлетающим космическим аппаратам. Конечно, ракетный двигатель производит большую тягу, но он расходует горючее в огромных количествах, и к тому же ракета должна нести окислитель на борту. Поэтому использование ракет в атмосфере ограничивается кратковременными полетами.

СЛОВАРЬ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ТЕРМИНОВ

Число Маха – параметр, характеризующий, во сколько раз скорость летательного аппарата (или газового потока) больше скорости звука
Гиперзвуковая скорость – нестрогий термин для обозначения скорости с числом Маха, превышающим 4 5
Число Рейнольдса – параметр, характеризующий соотношение между силами инерции и силами вязкости в потоке
Угол атаки – наклон плоскости крыла к линии полета
Скачок уплотнения (ударная волна) – узкая область течения, в которой происходит резкое падение скорости сверхзвукового газового потока, приводящее к скачкообразному увеличению плотности
Волна разрежения – область течения, в которой происходит резкое уменьшение плотности газовой среды

Стремление решить эти сложные технические задачи привело к разработке различных концепций космиче­ских транспортных систем. Принципиальным направлением, которое активно исследуется ведущими аэрокосмическими фирмами мира, является одноступенчатый ВКС. Такой воздушно-космический самолет, взлетая с обычного аэродрома, может обеспечить доставку на околоземную орбиту полезной нагрузки, составляющей около 3% от взлетного веса. Другая концепция многоразовых систем – двухступенчатые аппараты. В этом случае первая ступень оснащается воздушно-реактивным двигателем, а вторая – является орбитальной, и разделение ступеней осуществляется в диапазоне чисел Маха от 6 до 12 на высотах около 30 км.

В 1980-1990 гг. проекты ВКС разрабатывались в США (NASP), Англии (HOTOL), ФРГ (Snger), Франции (STS-2000, STAR-H), России (ВКС НИИ-1, «Спираль», Ту-2000). В 1989 г. по инициативе Немецкого исследовательского общества (DFG) начались совместные исследования трех германских центров: Рейн-Вестфальской технической высшей школы в Ахене, Технического университета Мюнхена и Университета Штутгарта. Эти центры, спонсируемые DFG, провели долгосрочную программу исследований, включающую изучение фундаментальных вопросов, необходимых для проектирования космических транспортных систем, таких как общая разработка, аэродинамика, термодинамика, механика полета, двигатель, материалы и пр. Значительная часть работ по экспериментальной аэродинамике была выполнена в сотрудничестве с Институтом теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН. Организация и координация всех исследовательских работ осуществлялись комитетом, который в течение десяти лет возглавлял один из авторов настоящей статьи (Э. Краузе). Мы предлагаем вниманию читателя ряд наиболее наглядных визуальных материалов, иллюстрирующих некоторые результаты, полученные в рамках этого проекта в области аэродинамики.

Двухступенчатая система ELAC–EOS

Для исследований была предложена концепция двухступенчатого аэрокосмического аппарата (несущая ступень называлась по-немецки ELAC, орбитальная – ЕОS). Топливо – жидкий водород. Предполагалось, что полномасштабная конфигурация ELAC будет иметь длину 75 м, размах крыла – 38 м и большой угол стреловидности . При этом длина ступени EОS составляет 34 м, а размах крыла – 18 м. Орбитальная ступень имеет эллиптическую носовую часть, центральный корпус с полуцилиндрической верхней стороной и один киль в плоскости симметрии. На верхней поверхности первой ступени имеется углубление, в котором размещена орбитальная ступень при наборе высоты. Хотя оно неглубокое, при гиперзвуковых скоростях во время разделения (M = 7) оказывает существенное влияние на характеристики потока.

Для проведения теоретических и экспериментальных исследований были спроектированы и изготовлены несколько моделей несущей и орбитальной ступеней в масштабе 1:150. Для испытаний при малых скоростях в германско-голландской аэродинамической трубе DNW была сделана большая модель исследуемой конфигурации в масштабе 1:12 (длина более 6 м, масса около 1600 кг).

Визуализация сверхзвука

Полет со сверхзвуковой скоростью представляет для исследователя большую сложность, поскольку сопровождается формированием ударных волн, или скачков уплотнения , а летательный аппарат в таком полете проходит несколько режимов обтекания (с различными локальными структурами), сопровождающихся ростом тепловых потоков.

Эта задача в проекте ELAC–EOS исследовалась и экспериментально, и численно. Большинство экспериментов было проведено в аэродинамической трубе T-313 ИТПМ СО РАН в Новосибирске. Число Маха набегающего потока в этих экспериментах изменялось в диапазоне 2 < М < 4, число Рейнольд­са – 25 10 6 < Re < 56 10 6 , а угол атаки – в диапазоне – 3° < α < 10°. При этих параметрах измерялось распределение давлений, аэродинамические силы и моменты, а также выполнялась визуализация линий тока на поверхности модели.

Полученные результаты в числе прочего ясно демонстрируют образование вихрей на подветренной стороне. Панорамные картины течений на поверхности модели визуализировались посредством покрытия специальными жидкостями или маслосажевой смесью. В типичном примере маслосажевой визуализации видно, как поверхностные линии тока сворачивают внутрь от передней кромки крыла и стекаются в линию, ориентированную приблизительно в направлении течения. Наблюдаются также другие полосы, направленные в сторону центральной линии модели.

Эти четкие следы на подветренной стороне характеризуют поперечное течение, трехмерную структуру которого можно наблюдать с помощью метода лазерного ножа. С увеличением угла атаки поток воздуха перетекает с наветренной поверхности крыла на подветренную, формируя сложную вихревую систему. Отметим, что первичные вихри с пониженным давлением в ядре вносят положительный вклад в подъемную силу аппарата. Сам метод лазерного ножа основан на фотографировании когерентного излучения, рассеянного на вводимых в поток твердых или жидких микрочастицах, распределение концентрации которых обусловливается структурой исследуемых течений. Когерентный источник света формируется в виде тонкой световой плоскости, что, собственно, и дало название методу. Интересно, что с точки зрения обеспечения необходимой контрастности изображения очень эффективными оказываются микрочастицы обычной воды (туман).

ТЕНЕВОЙ МЕТОД ТЕПЛЕРА

Еще в 1867 г. немецкий ученый А. Теплер предложил метод обнаружения оптических неоднородностей в прозрачных средах, который до сих пор не потерял актуальности в науке и технике. В частности, он широко применяется для исследования распределения плотности воздушных потоков при обтекании моделей летательных аппаратов в аэродинамических трубах.
Оптическая схема одной из реализаций метода представлена на рисунке. Пучок лучей от щелевого источника света системой линз направляется через исследуемый объект и фокусируется на кромке непрозрачной ширмы (так называемый нож Фуко ). Если в исследуемом объекте нет оптических неоднородностей, то все лучи задерживаются ножом. При наличии неоднородностей лучи будут рассеиваться, и часть их, отклонившись, пройдет выше кромки ножа. Поставив за плоскостью ножа Фуко проекционный объектив, можно спроектировать эти лучи на экран (направить в фотокамеру) и получить изображение неоднородностей.
Рассмотренная простейшая схема позволяет визуализировать градиенты плотности среды , перпендикулярные кромке ножа, градиенты же плотности по другой координате приводят к смещению изображения вдоль кромки и не меняют освещенности экрана. Существуют различные модификации метода Теплера. Например, вместо ножа устанавливается оптический фильтр, состоящий из параллельных полосок разных цветов. Или используется круглая диафрагма с цветными секторами. В этом случае при отсутствии неоднородностей лучи из разных точек проходят через одно и то же место диафрагмы, поэтому все поле окрашено в один цвет. Появление неоднородно­стей обусловливает отклонение лучей, которые проходят через разные секторы, и изображения точек с различным отклонением света окрашиваются в соответствующие цвета

При определенных условиях ядра вихрей могут разрушаться, что уменьшает подъемную силу крыла. Этот процесс, называемый срывом вихря, развивается по типу «пузырь» или «спираль», визуальные различия между которыми демонстрирует фотография, сделанная с помощью впрыска флуоресцентной краски. Обычно пузырьковый режим срыва вихря предшествует распаду по спиральному типу.

Полезную информацию о спектрах сверхзвукового обтекания летательных аппаратов дает теневой метод Теплера . С его помощью визуализируются неоднородности в газовых потоках, при этом особенно хорошо видны скачки уплотнения и волны разрежения.

Разделение ступеней

Разделение несущей и орбитальной ступеней – одна из самых трудных задач, рассмотренных в ходе работы над проектом ELAC–EOS. В целях безопасности маневрирования этот этап полета требует особенно тщательного изучения. Численные исследования его различных фаз были проведены в центре SFB 255 при Техническом университете Мюнхена, а вся экспериментальная работа выполнена в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН. Испытания в сверхзвуковой аэродинамической трубе T-313 включали в себя визуализацию обтекания полной конфигурации и измерения аэродинамических характеристик и поверхностных давлений в процессе разделения ступеней.

Модель нижней ступени ELAC 1C отличалась от первоначального варианта ELAC 1 отсеком небольшой глубины, в котором должна располагаться орбитальная ступень во время взлета и набора высоты. Компьютерное моделирование проводилось при числе Маха набегающего потока М = 4,04, числе Рейнольдса Re = 9,6 10 6 и нулевом угле атаки модели EOS.

Наблюдалось хорошее согласие между расчетными и экспериментальными данными, что подтверждает надежность численного решения при прогнозировании гиперзвуковых течений. Пример расчетной картины распределения чисел Маха (скоростей) в потоке во время процесса разделения представлен на этой странице. На обеих ступенях видны скачки уплотнения и локальные разрежения. У задней части конфигурации ELAC 1C в реальности разрежения не будет, поскольку там разместится гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель.

В целом можно сказать, что исследования аэродинамической концепции двухступенчатой системы ELAC–EOS, инициированные Немецким исследовательским обществом DFG, оказались успешными. В результате обширного комплекса теоретических и экспериментальных работ, в которых участвовали научные центры Европы, Азии, Америки и Австралии, был выполнен полный расчет конфигурации, способной к горизонтальному взлету и посадке в стандартном аэропорту, решены аэродинамические задачи полета с низкими, сверхзвуковыми и особенно гиперзвуковыми скоростями.

В настоящее время ясно, что создание перспективного аэрокосмического транспорта требует еще детальных исследований по разработке гиперзвуковых воздушно-реактивных двигателей, надежно работающих в широком диапазоне скоростей полета, высокоточных систем управления процессами разделения ступеней и посадки орбитального модуля, новых высокотемпературных материалов и т.д. Решение всех этих сложных научно-технических задач невозможно без объединения усилий ученых разных стран. И опыт данного проекта только подтверждает: долговременное международное сотрудничество становится неотъемлемым элементом аэрокосмических исследований.

Литература

Kharitonov A.M., Krause E., Limberg W. et al. // J. Experiments in Fluids. 1999. V. 26. P. 423.

Brodetsky M.D., Kharitonov A.M., Krause E. et al. // J. Experiments in Fluids. 2000. V. 29. P. 592.

Brodetsky M.D., Kharitonov A.M., Krause E. et al. // Proc. at X Int. Conference on the Methods of Aerophysical Research. Novosibirsk. 2000. V. 1. P. 53.

Krause E., Brodetsky M.D., Kharitonov A.M. // Proc. at WFAM Congress. Chicago, 2000.

Бродецкий М.Д., Краузе Э., Никифоров С.Б. и др. // ПМТФ. 2001. Т. 42. С. 68.

ГОРИЗОНТЫ НАУКИ

Аэрокосмический

транспорт к V Л VI11Р ГП

Мощным толчком ракета вертикально поднимается со стартовой площадки и уходит ввысь... Эта привычная с 1960-х гг. картина в скором времени может кануть в Лету. На смену одноразовым космическим системам и «челнокам» должно прийти новое поколение аппаратов - воздушно-космические самолеты, которые будут обладать способностью взлетать и приземляться горизонтально, подобно обычным авиалайнерам

Ч - . , " Л* „ - , (/

3. КРАУЗЕ. А. М. ХАРИТОНОВ

КРАУЗЕ Эгон - заслуженный профессор, СП 973 по 1998 гг. - директор Аэродинамического института Рейн-Вестфапьской технической высшей школы (ГОАШ^" (Ах^н, Германия). Лауреат премии Общества Макса Дланка, по.ч®ный доктор Сибирского отделения РАН ~

XAPMTOHCJP Анатолий. Михайлович - доктор технических наук, профёссдИглабный научный сотрудник Института теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН (Новосибирск). Заслуженный деятель науки РФ, лауреат премии Совета Министров СССР (1985). Автор и соавтор около 150 научных работ и 2 патентов

альнейшее развитие космонавтики определяется необходимостью интенсивной эксплуатации космических станций, развития систем глобальной связи и навигации, мониторинга окружающей среды в планетарном масштабе. Для этих целей в ведущих странах мира ведутся разработки воз-дуишо-космических самолетов (ВКС) многократного использования, которые позволят существенно снизить стоимость доставки грузов и людей на орбиту. Это ¡будут системы, характеризующиеся возможностями, [наиболее актуальные из которых следующие:

Многоразовое использование для вывода на орбиту производственных и научно-технических грузов с относительно небольшим промежутком времени между повторными вылетами;

Возвращение аварийных и отработавших конструкций, засоряющих космос;

Спасение экипажей орбитальных станций и космических кораблей в аварийных ситуациях;

Срочная разведка районов стихийных бедствий и катастроф в любой точке земного шара.

В странах с развитыми авиационно-космическими

технологиями достигнуты большие успехи в области высоких скоростей полета, которые определяют потенциальную возможность создания широкого спектра гиперзвуковых воздушно-реактивных самолетов. Есть все основания полагать, что в будущем пилотируемая авиация освоит скорости от чисел Маха М = 4-6 до М = 12-15 (пока держится рекорд М = 6,7, установленный еще в 1967 г. американским экспериментальным самолетом Х-15 с ракетным двигателем).

Если говорить о гражданской авиации, то освоение больших скоростей чрезвычайно важно для интенсификации пассажирских перевозок и деловых связей. Гиперзвуковые пассажирские самолеты с числом Маха 6 смогут обеспечить малоутомительную продолжительность перелета (не более 4 часов) на международных маршрутах с дальностью около 10 тыс. км, таких как Европа (Париж) - Южная Америка (Сан-Паулу), Европа (Лондон) - Индия, США (Нью-Йорк) - Япония. Вспомним, что время полета сверхзвукового «Конкорда» от Нью-Йорка до Парижа составляло около 3 часов, а «Боинг-747» затрачивает на этом маршруте около 6,5 часа. Самолеты будущего с числом Маха 10

СЛОВАРЬ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ТЕРМИНОВ

Число Маха - параметр, характеризующий, во сколько раз скорость летательного аппарата (или газового потока) больше скорости звука Гиперзвуковая скорость - нестрогий термин для обозначения скорости с числом Маха, превышающим 4 5 Число Рейнольдса - параметр, характеризующий соотношение между силами инерции и силами вязкости в потоке

Угол атаки - наклон плоскости крыла к линии полета Скачок уплотнения (ударная волна) - узкая область течения, в которой происходит резкое падение скорости сверхзвукового газового потока, приводящее к скачкообразному увеличению плотности Волна разрежения - область течения, в которой происходит резкое уменьшение плотности газовой среды

Схема модели двухступенчатой аэрокосмической системы Е1_АС-ЕОЭ. Эти аппараты будут взлетать и садиться горизонтально, подобно обычным самолетам. Предполагается, что длина полномасштабной конфигурации составит 75 м, а размах крыла - 38 м. По: (Рейбл, Якобе, 2005)

за 4 часа смогут преодолеть 16-17 тыс. км, совершив беспосадочный перелет, например, из США или Европы в Австралию.

ГТайа маоТай

Для гиперзвуковых самолетов необходимы новые технологии, совершенно отличные от тех, которые присущи современным самолетам и вертикально взлетающим космическим аппаратам. Конечно, ракетный

двигатель производит большую тягу но он расходует горючее в огромных количествах, и к тому же ракета должна нести окислитель на борту. Поэтому использование ракет в атмосфере ограничивается кратковременными полетами.

Стремление решить эти сложные технические задачи привело к разработке различных концепций космических транспортных систем. Принципиальным направлением, которое активно исследуется ведущими аэрокосмическими фирмами мира, является одноступенчатый В КС. Такой воздушно-космический самолет, взлетая с обычного аэродрома, может обеспечить доставку на околоземную орбиту полезной нагрузки, составляющей около 3% от взлетного веса. Другая концепция многоразовых систем - двухступенчатые аппараты. В этом случае первая ступень оснащается воздушно-реактивным двигателем, а вторая - является орбитальной, и разделение ступеней осуществляется в диапазоне чисел Маха от 6 до 12 на высотах около 30 км.

В 1980-1990 гг. проекты ВКС разрабатывались в США (NASP), Англии (HOTOL), ФРГ (Sänger), Франции (STS-2000, STAR-H), России (ВКС НИИ-1, «Спираль», Ту-2000). В 1989 г. по инициативе Немецкого исследовательского общества (DFG) начались совместные исследования трех германских центров:

Рейн-Вестфальской технической высшей школы в Ахене, Технического университета Мюнхена и Университета Штутгарта. Эти центры, спонсируемые DFG, провели долгосрочную программу исследований, включающую изучение фундаментальных вопросов, необходимых для проектирования космических транспортных систем, таких как общая разработка, аэродинамика, термодинамика, механика полета, двигатель, материалы и пр. Значительная часть работ по экспериментальной аэродинамике была выполнена в сотрудничестве с Институтом теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН. Организация и координация всех исследовательских работ осуществлялись комитетом, который в течение десяти лет возглавлял один из авторов настоящей статьи (Э. Краузе). Мы предлагаем вниманию читателя ряд наиболее наглядных визуальных материалов, иллюстрирующих некоторые результаты, полученные в рамках этого проекта в области аэродинамики.

Полет двухступенчатой системы ELAC-EOS должен охватывать широчайший диапазон скоростей: от преодоления звукового барьера (М = 1) до отделения орбитальной ступени (М = 7) и выхода ее на околоземную орбиту (М = 25). По: (Рейбл, Якобе, 2005)

Звуковой барьер Число Маха

ГОРИЗОНТЫ НАУКИ

Большая модель ELAC 1 (длиной более 6 м) в рабочей части германско-голландской аэродинамической трубы DNW малых скоростей. По: (Рейбл, Якобе, 2005)

Aaóóñóó"i áí^áóáy ñeñóálá ELAC-EOS

Для исследований была предложена концепция двухступенчатого аэрокосмического аппарата (несущая ступень называлась по-немецки ELAC, орбитальная - EOS). Топливо - жидкий водород. Предполагалось, что полномасштабная конфигурация ELAC будет иметь длину 75 м, размах крыла - 38 м и большой г/гол стреловидности. При этом длина ступени EOS составляет 34 м, а размах крыла - 18 м. Орбитальная ступень имеет эллиптическую носовую часть, центральный корпус с полуцилиндрической верхней стороной и один киль в плоскости симметрии. На верхней поверхности первой ступени имеется углубление, в котором размещена орбитальная ступень при наборе высоты. Хотя оно неглубокое, при гиперзвуковых скоростях во время разделения (М = 7) оказывает существенное влияние на характеристики потока.

Для проведения теоретических и экспериментальных исследований были спроектированы и изготовлены несколько моделей несущей и орбитальной ступеней в масштабе 1:150. Для испытаний при малых скоростях в германско-голландской аэродинамической трубе DNW была сделана большая модель исследуемой конфигурации в масштабе 1:12 (длина более 6 м, масса около 1600 кг).

Aegóáeegáóey ñaáSógaóeá

Полет со сверхзвуковой скоростью представляет для исследователя большую сложность, поскольку сопровождается формированием ударных волн, или скачков уплотнения, а летательный аппарат в таком полете проходит несколько режимов обтекания (с различными локальными структурами), сопровождающихся ростом тепловых потоков.

Эта задача в проекте ELAC-EOS исследовалась и экспериментально, и численно. Большинство экспериментов было проведено в аэродинами-

Маслосажевая картина линий тока на поверхности модели ELAC 1, полученная в аэродинамической трубе Т-313 Института теоретической и прикладной механики СО РАН. По: (Krause et al., 1999)

Сравнение результатов численного моделирования вихревых структур на подветренной стороне модели Е1.АС 1 (справа) и экспериментальной визуализации методом лазерного ножа (слева). Результаты численного расчета получены решением уравнений Навье-Стокса для ламинарного течения при числе Маха М = 2, числе Рейнольдса Йе = 4 10е и угле атаки а = 24°. Расчетные вихревые картины похожи на наблюдаемые экспериментально; имеются различия в поперечных формах отдельных вихрей. Заметим, что набегающий поток перпендикулярен плоскости картинки. По: (ЭКотЬегд е? а/., 1996)

ческой трубе Т-313 ИТПМ СО РАН в Новосибирске. Число Маха набегающего потока в этих экспериментах изменялось в диапазоне 2 < М < 4, число Рейнольдса - 25 106 < Ие < 56 106, а г/гол атаки - в диапазоне - 3° < а < 10°. При этих параметрах измерялось распределение давлений, аэродинамические силы и моменты, а также выполнялась визуализация линий тока на поверхности модели.

Полученные результаты в числе прочего ясно демонстрируют образование вихрей на подветренной стороне. Панорамные картины течений на поверхности модели визуализировались посредством покрытия специальными жидкостями или маслосажевой смесью. В типичном примере маслосажевой визуализации видно, как поверхностные линии тока сворачивают внутрь от передней кромки крыла и стекаются в линию, ориентированную приблизительно в направлении течения. Наблюдаются также другие полосы, направленные в сторону центральной линии модели.

Эти четкие следы на подветренной стороне характеризуют поперечное течение, трехмерную структуру которого можно наблюдать с помощью метода лазерного ножа. С увеличением угла атаки поток воздуха перетекает с наветренной поверхности крыла на подветренную, формируя сложную вихревую систему. Отметим, что первичные вихри с пониженным давлением в ядре вносят положительный вклад в подъемную силу аппарата. Сам метод лазерного ножа основан на фотографировании когерентного излучения, рассеянного

Вихревой пузырь в переходном состоянии

Полностью развившаяся вихревая спираль

Процессы распада вихрей на подветренной стороне конфигурации ELAC 1 визуализировались посредством впрыска флуоресцентной краски. По: (Stromberg, Limberg, 1993)

¡Я ГОРИЗОНТЫ НАУКИ

на вводимых в поток твердых или жидких микрочастицах, распределение концентрации которых обусловливается структурой исследуемых течений. Когерентный источник света формируется в виде тонкой световой плоскости, что, собственно, и дало название методу. Интересно, что с точки зрения обеспечения необходимой контрастности изображения очень эффективными оказываются микрочастицы обычной воды (туман).

При определенных условиях ядра вихрей могут разрушаться, что уменьшает подъемную силу крыла. Этот процесс, называемый срывом вихря, развивается

по типу «пузырь» или «спираль», визуальные различия между которыми демонстрирует фотография, сделанная с помощью впрыска флуоресцентной краски. Обычно пузырьковый режим срыва вихря предшествует распаду по спиральному типу.

Полезную информацию о спектрах сверхзвукового обтекания летательных аппаратов дает теневой метод Теплера. С его помощью визуализируются неоднородности в газовых потоках, при этом особенно хорошо видны скачки уплотнения и волны разрежения.

Линзы основного объектива Проекционный объектив Экран (фотокамера)

Источник света V г Ч Неоднородность Нож Фуко " I

ТЕНЕВОЙ МЕТОД ТЕПЛЕРА

Еще в 1867 г. немецкий ученый А. Теплер предложил метод обнаружения оптических неоднородностей в прозрачных средах, который до сих пор не потерял актуальности в науке и технике. В частности, он широко применяется для исследования распределения плотности воздушных потоков при обтекании моделей летательных аппаратов в аэродинамических трубах.

Оптическая схема одной из реализаций метода представлена на рисунке. Пучок лучей от щелевого источника света системой линз направляется через исследуемый объект и фокусируется на кромке непрозрачной ширмы (так называемый нож Фуко). Если в исследуемом объекте нет оптических неоднородностей, то все лучи задерживаются ножом. При наличии неоднородностей лучи будут рассеиваться, и часть их, отклонившись, пройдет выше кромки ножа. Поставив за плоскостью ножа Фуко проекционный объектив, можно спроектировать эти лучи на экран (направить в фотокамеру) и получить изображение неоднородностей.

Рассмотренная простейшая схема позволяет визуализировать градиенты плотности среды, перпендикулярные кромке ножа, градиенты же плотности по другой координате приводят к смещению изображения вдоль кромки и не меняют освещенности экрана. Существуют различные модификации метода Теплера. Например, вместо ножа устанавливается оптический фильтр, состоящий из параллельных полосок разных цветов. Или используется круглая диафрагма с цветными секторами. В этом случае при отсутствии неоднородностей лучи из разных точек проходят через одно и то же место диафрагмы, поэтому все поле окрашено в один цвет. Появление неоднородностей обусловливает отклонение лучей, которые проходят через разные секторы, и изображения точек с различным отклонением света окрашиваются в соответствующие цвета.

Головной скачок уплотнения

Веер волн разрежения

Скачок уплотнения

Эта теневая картина обтекания модели ЕЬАС 1 получена оптическим методом Теплера в сверхзвуковой аэродинамической трубе в Ахене. По: (Нэпе! е? а/., 1993)

Теневая фотография обтекания модели Е1.АС 1 с воздухозаборником в гиперзвуковой ударной трубе (М = 7,3) в Ахене. Красивые радужные сполохи в правой нижней части снимка представляют собой хаотические течения внутри воздухозаборника. По: (Оливье и др., 1996)

Теоретическое распределение чисел Маха (скоростей) при обтекании двухступенчатой конфигурации Е1_АС-ЕОЭ (число Маха набегающего потока М = 4,04). По: (Брейтсамтер и др., 2005)

Наблюдалось хорошее согласие между расчетными и экспериментальными данными, что подтверждает надежность численного решения при прогнозировании гиперзвуковых течений. Пример расчетной картины распределения чисел Маха (скоростей) в потоке во время процесса разделения представлен на этой странице. На обетЖ^гФенях видны скачки уплотнения и локальные разрежения. У задней части конфигурации ЕЬАС 1С в реальности разрежения не будет, поскольку там разместится гиперзвуковой прямоточный воздуш-но-реактивный двигатель.

Разделение несущей и орбитальной ступеней - одна из самых трудных задач, рассмотренных в ходе работы над проектом ELAC-EOS. В целях безопасности маневрирования этот этап полета требует особенно.тщательного изучения. Численные исследования его * различных фаз были проведены в центре SFB 255 при Техническом университете Мюнхена, а вся экспериментальная работа выполнена в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН. Испытания в сверхзвуковой аэродинамической трубе Т-313 включали в себя визуализацию обтекания полной конфигурации и измерения аэродинамических характеристик и поверхностных давлений в процессе разделения ступеней.

Модель нижней ступени ELAC 1С отличалась от первоначального варианта ELAC 1 отсеком небольшой глубины, в котором должна располагаться орбитальная ступень во время взлета и набора высоты. Компьютерное моделирование проводилось при числе Маха набегающего потока М = 4,04, числе Рейнольдса -Re = 9,6 106 и нулевом угле атаки модели EOS.

целом можно сказать, что исследования аэродинамической концепции двухступенчатой систем ÜiELAC-EOS , инициированные Немецким исследовательским обществом DFG, оказались успешными. В результате обширного комплекса теоретических и экспериментальных работ, в которых участвовали научные центры Европы, Азии, Америки и Австралии, был выполнен полный расчет конфигурации, способной к горизонтальному взлету и посадке в стандартном аэропорту, решены аэродинамические

задачи полета с низкими, сверхзвуковыми и особенно гиперзвуковыми скоростями.

В настоящее время ясно, что создание перспективного аэрокосмического транспорта требует еще детальных исследований по разработке гиперзвуковых воздуш-но-реактивных двигателей, надежно работающих в широком диапазоне скоростей полета, высокоточных систем управления процессами разделения ступеней и посадки орбитального модуля, новых высокотемпературных материалов и т.д. Решение всех этих сложных научно-технических задач невозможно без объединения усилий ученых разных стран. И опыт данного проекта только подтверждает: долговременное международное сотрудничество становится неотъемлемым элементом аэрокосмических исследований.

Литература

Kharitonov А.М., Krause Е., Limberg W. et al.//J. Experiments in Fluids. - 1999. - V. 26. - P. 423.

Brodetsky M.D., Kharitonov A.M., Krause E. et al. //J. Experiments in Fluids. - 2000. - V. 29. - P. 592.

Brodetsky M.D., Kharitonov A.M., Krause E. et al. // Proc. at X Int. Conference on the Methods of Aemphysical Research. Novosibirsk. - 2000. -V.1.- P. 53.

Krause E., Brodetsky M.D., Kharitonov A.M. // Proc. at WFAM Congress. Chicago, 2000.

Бродецкий М.Д., Краузе Э., Никифоров С.Б. и др. // ПМТФ. - 2001. - Т. 42. - С. 68.

Современные технологии и открытия выводят освоение космоса на совершенно иной уровень, однако межзвездные перелеты пока еще остаются мечтой. Но так ли она нереальна и недостижима? Что мы можем уже сейчас и чего ждать в ближайшем будущем?

11.10.2011, ВТ, 17:27, Мск

Телескопа "Кеплер" астрономы обнаружили 54 потенциально обитаемые экзопланеты. Эти далекие миры находятся в обитаемой зоне, т.е. на определенном расстоянии от центральной звезды, позволяющем поддерживать на поверхности планеты воду в жидком виде.

Однако ответ на главный вопрос, одиноки ли мы во Вселенной, получить затруднительно - из-за огромной дистанции, разделяющей Солнечную систему и наших ближайших соседей. Например, «перспективная» планета Gliese 581g находится на расстоянии в 20 световых лет – это достаточно близко по космическим меркам, но пока слишком далеко для земных инструментов.

Обилие экзопланет в радиусе 100 и менее световых лет от Земли и огромный научный и даже цивилизационный интерес, которые они представляют для человечества, заставляют по-новому взглянуть на доселе фантастическую идею межзвездных перелетов.

Ближайшие к нашей Солнечной системе звезды

Полет к другим звездам - это, разумеется, вопрос технологий. Более того, существуют несколько возможностей для достижения столь далекой цели, и выбор в пользу того или иного способа еще не сделан.

Дорогу беспилотникам

Человечество уже отправляло в космос межзвездные аппараты: зонды Pioneer и Voyager. В настоящее время они покинули пределы Солнечной системы, однако их скорость не позволяет говорить о сколь-нибудь быстром достижении цели. Так, Voyager 1, движущийся со скоростью около 17 км/с, даже к ближайшей к нам звезде Проксима Центавра (4,2 световых года) будет лететь невероятно долгий срок - 17 тысяч лет.

Очевидно, что с современными ракетными двигателями мы никуда дальше Солнечной системы не выберемся: для транспортировки 1 кг груза даже к недалекой Проксиме Центавра нужны десятки тысяч тонн топлива. При этом с ростом массы корабля увеличивается количество необходимого топлива, и для его транспортировки нужно дополнительное горючее. Замкнутый круг, ставящий крест на баках с химическим топливом - постройка космического судна весом в миллиарды тонн представляется совершенно невероятной затеей. Простые вычисления по формуле Циолковского демонстрируют, что для ускорения космических аппаратов с ракетным двигателем на химическом топливе до скорости примерно в 10% скорости света потребуется больше горючего, чем доступно в известной вселенной.

Реакция термоядерного синтеза производит энергии на единицу массы в среднем в миллион раз больше, чем химические процессы сгорания. Именно поэтому в 1970-х годах в НАСА обратили внимание на возможность применения термоядерных ракетных двигателей. Проект беспилотного космического корабля Дедал предполагал создание двигателя, в котором небольшие гранулы термоядерного топлива будут подаваться в камеру сгорания и поджигаться пучками электронов. Продукты термоядерной реакции вылетают из сопла двигателя и придают кораблю ускорение.

Космический корабль Дедал в сравнении с небоскребом Эмпайр стейт Билдинг

Дедал должен был взять на борт 50 тыс. тонн топливных гранул диаметром 40 и 20 мм. Гранулы состоят из ядра с дейтерием и тритием и оболочки из гелия-3. Последний составляет лишь 10-15 % от массы топливной гранулы, но, собственно, и является топливом. Гелия-3 в избытке на Луне, а дейтерий широко используется в атомной промышленности. Дейтериевое ядро служит детонатором для зажигания реакции синтеза и провоцирует мощную реакцию с выбросом реактивной плазменной струи, которая управляется мощным магнитным полем. Основная молибденовая камера сгорания двигателя Дедала должна была иметь вес более 218 тонн, камера второй ступени – 25 тонн. Магнитные сверхпроводящие катушки тоже под стать огромному реактору: первая весом 124,7 т, а вторая - 43,6 т. Для сравнения: сухая масса шаттла менее 100 т.

Полет Дедала планировался двухэтапным: двигатель первой ступени должен был проработать более 2 лет и сжечь 16 млрд топливных гранул. После отделения первой ступени почти два года работал двигатель второй ступени. Таким образом, за 3,81 года непрерывного ускорения Дедал достиг бы максимальной скорости в 12,2% скорости света. Расстояние до звезды Барнарда (5,96 световых лет) такой корабль преодолеет за 50 лет и сможет, пролетая сквозь далекую звездную систему, передать по радиосвязи на Землю результаты своих наблюдений. Таким образом, вся миссия займет около 56 лет.

Тор Стенфорда – колоссальное сооружение с целыми городами внутри обода

Несмотря на большие сложности с обеспечением надежности многочисленных систем Дедала и его огромной стоимостью, этот проект реализуем на современном уровне технологий. Более того, в 2009 году команда энтузиастов возродила работу над проектом термоядерного корабля. В настоящее время проект Икар включает 20 научных тем по теоретической разработке систем и материалов межзвездного корабля.

Таким образом, уже сегодня возможны беспилотные межзвездные полеты на расстояние до 10 световых лет, которые займут около 100 лет полета плюс время на путешествие радиосигнала обратно на Землю. В этот радиус укладываются звездные системы Альфа Центавра, Звезда Барнарда, Сириус, Эпсилон Эридана, UV Кита, Росс 154 и 248, CN Льва, WISE 1541-2250. Как видим, рядом с Землей достаточно объектов для изучения с помощью беспилотных миссий. Но если роботы найдут что-то действительно необычное и уникальное, например, сложную биосферу? Сможет ли отправиться к далеким планетам экспедиция с участием людей?

Полет длиною в жизнь

Если беспилотный корабль мы можем начинать строить уже сегодня, то с пилотируемым дело обстоит сложнее. Прежде всего остро стоит вопрос времени полета. Возьмем ту же звезду Барнарда. К пилотируемому полету космонавтов придется готовить со школьной скамьи, поскольку даже если старт с Земли состоится в их 20-летие, то цели полета корабль достигнет к 70-летию или даже 100-летию (учитывая необходимость торможения, в котором нет нужды в беспилотном полете). Подбор экипажа в юношеском возрасте чреват психологической несовместимостью и межличностными конфликтами, а возраст в 100 не дает надежду на плодотворную работу на поверхности планеты и на возвращение домой.

Однако есть ли смысл возвращаться? Многочисленные исследования НАСА приводят к неутешительному выводу: длительное пребывание в невесомости необратимо разрушит здоровье космонавтов. Так, работа профессора биологии Роберта Фиттса с космонавтами МКС показывает, что даже несмотря на активные физические упражнения на борту космического корабля, после трехлетней миссии на Марс крупные мышцы, например икроножные, станут на 50% слабее. Аналогично снижается и минеральная плотность костной ткани. В результате трудоспособность и выживаемость в экстремальных ситуациях уменьшается в разы, а период адаптации к нормальной силе тяжести составит не менее года. Полет же в невесомости на протяжении десятков лет поставит под вопрос сами жизни космонавтов. Возможно, человеческий организм сможет восстановиться, например, в процессе торможения с постепенно нарастающей гравитацией. Однако риск гибели все равно слишком высок и требует радикального решения.

Сложной остается и проблема радиации. Даже вблизи Земли (на борту МКС) космонавты находятся не более полугода из-за опасности радиационного облучения. Межпланетный корабль придется оснастить тяжелой защитой, но и при этом остается вопрос влияния радиации на организм человека. В частности, на риск онкологических заболеваний, развитие которых в невесомости практически не изучено. В начале этого года ученый Красимир Иванов из Германского аэрокосмического центра в Кельне опубликовал результаты интересного исследования поведения клеток меланомы (самой опасной формы рака кожи) в невесомости. По сравнению с раковыми клетками, выращенными при нормальной силе тяжести, клетки, проведшие в невесомости 6 и 24 часа, менее склонны к метастазам. Это вроде бы хорошая новость, но только на первый взгляд. Дело в том, что такой «космический» рак способен находиться в состоянии покоя десятилетия, и неожиданно масштабно распространяться при нарушении работы иммунной системы. Кроме этого, исследование дает понять, что мы еще мало знаем о реакции человеческого организма на длительное пребывание в космосе. Сегодня космонавты, здоровые сильные люди, проводят там слишком мало времени, чтобы переносить их опыт на длительный межзвездный перелет.

Проект Биосфера-2 начинался с красивой, тщательно подобранной и пышущей здоровьем экосистемы…

К сожалению, решить проблему невесомости на межзвездном корабле не так просто. Доступная нам возможность создания искусственной силы тяжести при помощи вращения жилого модуля имеет ряд сложностей. Чтобы создать земную гравитацию, даже колесо диаметром 200 м придется вращать со скоростью 3 оборота в минуту. При таком быстром вращении сила Кариолиса будет создавать совершенно непереносимые для вестибулярного аппарата человека нагрузки, вызывая тошноту и острые приступы морской болезни. Единственное решение этой проблемы - Тор Стенфорда, разработанный учеными Стенфордского университета в 1975 году. Это - огромное кольцо диаметром 1,8 км, в котором могли бы жить 10 тыс. космонавтов. Благодаря своим размерам оно обеспечивает силу тяжести на уровне 0.9-1,0 g и вполне комфортное проживание людей. Однако даже на скорости вращения ниже, чем один оборот в минуту, люди все равно будут испытывать легкий, но ощутимый дискомфорт. При этом если подобный гигантский жилой отсек будет построен, даже небольшие сдвиги в развесовке тора повлияют на скорость вращения и вызовут колебания всей конструкции.

…а закончился экологической катастрофой

В любом случае корабль на 10 тыс. человек – сомнительная затея. Для создания надежной экосистемы для такого числа людей нужно огромное количество растений, 60 тыс. кур, 30 тыс. кроликов и стадо крупного рогатого скота. Только это может обеспечить диету на уровне 2400 калорий в день. Однако все эксперименты по созданию таких замкнутых экосистем неизменно заканчиваются провалом. Так, в ходе крупнейшего эксперимента «Биосфера-2» компании Space Biosphere Ventures была построена сеть герметичных зданий общей площадью 1,5 га с 3 тыс. видами растений и животных. Вся экосистема должна была стать самоподдерживающейся маленькой «планетой», в которой жили 8 человек. Эксперимент длился 2 года, но уже после нескольких недель начались серьезные проблемы: микроорганизмы и насекомые стали неконтролируемо размножаться, потребляя кислород и растения в слишком больших количествах, также оказалось, что без ветра растения стали слишком хрупкими. В результате локальной экологической катастрофы люди начали терять вес, количество кислорода снизилось с 21% до 15%, и ученым пришлось нарушить условия эксперимента и поставлять восьмерым «космонавтам» кислород и продукты.

Таким образом, создание сложных экосистем представляется ошибочным и опасным путем обеспечения экипажа межзвездного корабля кислородом и питанием. Для решения этой проблемы понадобятся специально сконструированные организмы с измененными генами, способные питаться светом, отходами и простыми веществами. Например, большие современные цеха по производству пищевой водоросли хлореллы могут производить до 40 т суспензии в сутки. Один полностью автономный биореактор весом несколько тонн может производить до 300 л суспензии хлореллы в сутки, чего достаточно для питания экипажа в несколько десятков человек. Генетически модифицированная хлорелла могла бы не только удовлетворять потребности экипажа в питательных веществах, но и перерабатывать отходы, включая углекислый газ. Сегодня процесс генетического инжиниринга микроводорослей стал обычным делом, и существуют многочисленные образцы, разработанные для очистки сточных вод, выработки биотоплива и т.д.

Замороженный сон

Практически все вышеперечисленные проблемы пилотируемого межзвездного полета могла бы решить одна очень перспективная технология – анабиоз или как его еще называют криостазис. Анабиоз - это замедление процессов жизнедеятельности человека как минимум в несколько раз. Если удастся погрузить человека в такую искусственную летаргию, замедляющую обмен веществ в 10 раз, то за 100-летний полет он постареет во сне всего на 10 лет. При этом облегчается решение проблем питания, снабжения кислородом, психических расстройств, разрушения организма в результате воздействия невесомости. Кроме того, защитить отсек с анабиозными камерами от микрометеоритов и радиации проще, чем обитаемую зону большого объема.

К сожалению, замедление процессов жизнедеятельности человека – это чрезвычайно сложная задача. Но в природе существуют организмы, способные впадать в спячку и увеличивать продолжительность своей жизни в сотни раз. Например, небольшая ящерица под названием сибирский углозуб способна впадать в спячку в тяжелые времена и десятилетиями оставаться в живых, даже будучи вмороженной в глыбу льда с температурой минус 35-40°С. Известны случаи, когда углозубы проводили в спячке около 100 лет и, как ни в чем не бывало, оттаивали и убегали от удивленных исследователей. При этом обычная «непрерывная» продолжительность жизни ящерицы не превышает 13 лет. Удивительная способность углозуба объясняется тем, что его печень синтезирует большое количество глицерина, почти 40 % от веса тела, что защищает клетки от низких температур.

Биореактор для выращивания генетически модифицированных микроводорослей и других микроорганизмов может решить проблему питания и переработки отходов

Главное препятствие для погружения человека в криостазис – вода, из которой на 70% состоит наше тело. При замерзании она превращается в кристаллики льда, увеличиваясь в объеме на 10%, из-за чего разрывается клеточная мембрана. Кроме того, по мере замерзания растворенные внутри клетки вещества мигрируют в оставшуюся воду, нарушая внутриклеточные ионообменные процессы, а также организацию белков и других межклеточных структур. В общем, разрушение клеток во время замерзания делают невозможным возвращение человека к жизни.

Однако существует перспективный путь решения этой проблемы - клатратные гидраты. Они были обнаружены в далеком 1810 году, когда британский ученый сэр Хэмфри Дэви подал в воду хлор под высоким давлением и стал свидетелем образования твердых структур. Это и были клатратные гидраты – одна из форм водяного льда, в который включен посторонний газ. В отличие от кристаллов льда, клатратные решетки менее твердые, не имеют острых граней, зато имеют полости, в которые могут «спрятаться» внутриклеточные вещества. Технология клатратного анабиоза была бы проста: инертный газ, например, ксенон или аргон, температура чуть ниже нуля, и клеточный метаболизм начинает постепенно замедляться, пока человек не впадает в криостазис. К сожалению, для образования клатратных гидратов требуется высокое давление (около 8 атмосфер) и весьма высокая концентрация газа, растворенного в воде. Как создать такие условия в живом организме, пока неизвестно, хотя некоторые успехи в этой области есть. Так, клатраты способны защитить ткани сердечной мышцы от разрушения митохондрий даже при криогенных температурах (ниже 100 градусов Цельсия), а также предотвратить повреждение клеточных мембран. Об экспериментах по клатратному анабиозу на людях речь пока не идет, поскольку коммерческий спрос на технологии криостазиса невелик и исследования на эту тему проводятся в основном небольшими компаниями, предлагающими услуги по заморозке тел умерших.

Полет на водороде

В 1960 году физик Роберт Бассард предложил оригинальную концепцию прямоточного термоядерного двигателя, который решает многие проблемы межзвездного перелета. Суть заключается в использовании водорода и межзвездной пыли, присутствующих в космическом пространстве. Космический корабль с таким двигателем сначала разгоняется на собственном горючем, а затем разворачивает огромную, диаметром тысячи километров воронку магнитного поля, которое захватывает водород из космического пространства. Этот водород используется в качестве неисчерпаемого источника топлива для термоядерного ракетного двигателя.

Применение двигателя Бассарда сулит огромные преимущества. Прежде всего за счет «дармового» топлива есть возможность двигаться с постоянным ускорением в 1 g, а значит - отпадают все проблемы, связанные с невесомостью. Кроме того двигатель позволяет разогнаться до огромной скорости - в 50% от скорости света и даже больше. Теоретически, двигаясь с ускорением в 1 g, расстояние в 10 световых лет корабль с двигателем Бассарда может преодолеть примерно за 12 земных лет, причем для экипажа из-за релятивистских эффектов прошло бы всего 5 лет корабельного времени.

К сожалению, на пути создания корабля с двигателем Бассарда стоит ряд серьезных проблем, которые нельзя решить на современном уровне технологий. Прежде всего необходимо создать гигантскую и надежную ловушку для водорода, генерирующую магнитные поля гигантской силы. При этом она должна обеспечивать минимальные потери и эффективную транспортировку водорода в термоядерный реактор. Сам процесс термоядерной реакции превращения четырех атомов водорода в атом гелия, предложенный Бассардом, вызывает немало вопросов. Дело в том, что эта простейшая реакция трудноосуществима в прямоточном реакторе, поскольку она слишком медленно идет и, в принципе, возможна только внутри звезд.

Однако прогресс в изучении термоядерного синтеза позволяет надеяться, что проблема может быть решена, например, использованием «экзотических» изотопов и антиматерии в качестве катализатора реакции.

Сибирский углозуб может впадать в анабиоз на десятилетия

Пока изыскания на тему двигателя Бассарда лежат исключительно в теоретической плоскости. Необходимы расчеты, базирующиеся на реальных технологиях. Прежде всего, нужно разработать двигатель, способный произвести энергию, достаточную для питания магнитной ловушки и поддержания термоядерной реакции, производства антиматерии и преодоления сопротивления межзвездной среды, которая будет тормозить огромный электромагнитный «парус».

Антиматерия в помощь

Возможно, это звучит странно, но сегодня человечество ближе к созданию двигателя, работающего на антиматерии, чем к интуитивно понятному и простому на первый взгляд прямоточному двигателю Бассарда.

Термоядерный реактор на дейтерии и тритии может генерировать 6х1011 Дж на 1 г водорода – выглядит внушительно, особенно если учесть, что это в 10 миллионов раз более эффективно, чем химические ракеты. Реакция материи и антиматерии производит приблизительно на два порядка больше энергии. Когда речь идет об аннигиляции, расчеты ученого Марка Миллиса и плод его 27-летнего труда не выглядят такими уж удручающими: Миллис рассчитал затраты энергии на запуск космического корабля к Альфе Центавра и выяснил, что они составят 10 18 Дж, т.е. практически годовое потребление электричества всем человечеством. Но это всего один килограмм антивещества.

Зонд разработки Hbar Technologies будет иметь тонкий парус из углеродного волокна, покрытого ураном 238. Врезаясь в парус, антиводород будет аннигилировать и создавать реактивную тягу

В результате аннигиляции водорода и антиводорода образуется мощный поток фотонов, скорость истечения которого достигает максимума для ракетного двигателя, т.е. скорости света. Это идеальный показатель, который позволяет добиться очень высоких околосветовых скоростей полета космического корабля с фотонным двигателем. К сожалению, применить антиматерию в качестве ракетного топлива очень непросто, поскольку во время аннигиляции происходят вспышки мощнейшего гамма-излучения, которое убьет космонавтов. Также пока не существует технологий хранения большого количества антивещества, да и сам факт накопления тонн антиматерии, даже в космосе далеко от Земли, является серьезной угрозой, поскольку аннигиляция даже одного килограмма антиматерии эквивалентна ядерному взрыву мощностью 43 мегатонны (взрыв такой силы способен превратить в пустыню треть территории США). Стоимость антивещества является еще одним фактором, осложняющим межзвездный полет на фотонной тяге. Современные технологии производства антивещества позволяют изготовить один грамм антиводорода по цене в десяток триллионов долларов.

Однако большие проекты по исследованию антиматерии приносят свои плоды. В настоящее время созданы специальные хранилища позитронов, «магнитные бутылки», представляющие собой охлажденные жидким гелием емкости со стенками из магнитных полей. В июне этого года ученым ЦЕРНа удалось сохранить атомы антиводорода в течение 2000 секунд. В Университете Калифорнии (США) строится крупнейшее в мире хранилище антивещества, в котором можно будет накапливать более триллиона позитронов. Одной из целей ученых Калифорнийского университета является создание переносных емкостей для антивещества, которые можно использовать в научных целях вдали от больших ускорителей. Этот проект пользуется поддержкой Пентагона, который заинтересован в военном применении антиматерии, так что крупнейший в мире массив магнитных бутылок вряд ли будет ощущать недостаток финансирования.

Современные ускорители смогут произвести один грамм антиводорода за несколько сотен лет. Это очень долго, поэтому единственный выход: разработать новую технологию производства антиматерии или объединить усилия всех стран нашей планеты. Но даже в этом случае при современных технологиях нечего и мечтать о производстве десятков тонн антиматерии для межзвездного пилотируемого полета.

Однако все не так уж печально. Специалисты НАСА разработали несколько проектов космических аппаратов, которые могли бы отправиться в глубокий космос, имея всего один микрограмм антивещества. В НАСА полагают, что совершенствование оборудования позволит производить антипротоны по цене примерно 5 млрд долл. за 1 грамм.

Американская компания Hbar Technologies при поддержке НАСА разрабатывает концепцию беспилотных зондов, приводимых в движение двигателем, работающем на антиводороде. Первой целью этого проекта является создание беспилотного космического аппарата, который смог бы менее чем за 10 лет долететь к поясу Койпера на окраине Солнечной системы. Сегодня долететь в такие удаленные точки за 5-7 лет невозможно, в частности, зонд НАСА New Horizons пролетит сквозь пояс Койпера через 15 лет после запуска.

Зонд, преодолевающий расстояние в 250 а.е. за 10 лет, будет очень маленьким, с полезной нагрузкой всего 10 мг, но ему и антиводорода потребуется немного – 30 мг. Теватрон выработает такое количество за несколько десятилетий, и ученые смогли бы протестировать концепцию нового двигателя в ходе реальной космической миссии.

Предварительные расчеты также показывают, что подобным образом можно отправить небольшой зонд к Альфе Центавра. На одном грамме антиводорода он долетит к далекой звезде за 40 лет.

Может показаться, что все вышеописанное - фантастика и не имеет отношения к ближайшему будущему. К счастью, это не так. Пока внимание общественности приковано к мировым кризисам, провалам поп-звезд и прочим актуальным событиям, остаются в тени эпохальные инициативы. Космическое агентство НАСА запустило грандиозный проект 100 Year Starship, который предполагает поэтапное и многолетнее создание научного и технологического фундамента для межпланетных и межзвездных полетов. Эта программа не имеет аналогов в истории человечества и должна привлечь ученых, инженеров и энтузиастов других профессий со всего мира. С 30 сентября по 2 октября 2011 года в Орландо (штат Флорида) состоится симпозиум, на котором будут обсуждаться различные технологии космических полетов. На основании результатов таких мероприятий специалисты НАСА будут разрабатывать бизнес-план по оказанию помощи определенным отраслям и компаниям, которые разрабатывают пока отсутствующие, но необходимые для будущего межзвездного перелета технологии. Если амбициозная программа НАСА увенчается успехом, уже через 100 лет человечество будет способно построить межзвездный корабль, а по Солнечной системе мы будем перемещаться с такой же легкостью, как сегодня перелетаем с материка на материк.

Михаил Левкевич

Распечатать