6-е поколение или на орбиту с ветерком

В некоторых средствах массовой информации проскакивают статьи про разработку самолета 6-го поколения. Но никто не пишет, что это такое, какие к нему могут быть требования, его цели и задачи. Попробуем приоткрыть завесу тайны и рассказать, что это будет и по какому принципу оно будет работать.

Вы наверняка слышали, что 6-е поколение - это полностью автоматизированный самолет, управляемый компьютером. Автоматизированный полет, бой, взлет-посадка. Но это все уже есть у современных беспилотников. Что же там будет такое, что в корне будет отличать новый аппарат от ныне существующих? То, что пытались реализовать еще в 70-е годы, но столкнулись с массой технических трудностей. Это выход на орбиту по самолетному, без использования ракет и ускорителей. Все возможности для такого выхода заложены в конструкцию и двигатели этого самолета. Вы скажете, что все это уже придумали в 70-е, а сейчас с развитием новых технологий осталось просто это реализовать. И… будете неправы. Потому что в наше время прорабатываются принципиально другие способы разгона и выхода на орбиту.

Немного теории.

Для того чтобы выйти на орбиту, необходимо пробить атмосферу, имеющую высокое сопротивление и далее в более-менее безвоздушном пространстве набрать первую космическую скорость. Ракета сначала летит вертикально вверх, потом начинает постепенно наклоняться и далее на разгонном участке летит практически горизонтально поверхности Земли. Если начать разгонять ракету в атмосфере, то она очень сильно нагреется от трения и на преодоление сопротивления воздуха будет потрачено слишком много горючего. Поэтому атмосферу проходят вертикально и далее разгоняются в безвоздушном пространстве (так, например, работает разгонный блок «Фрегат».) Далее уже в космосе в определенных точках включаются маршевые двигатели, получая нужную нам орбиту. Самолеты как известно, вертикально не летают, и в космосе тоже не летают (пока), поэтому скорость придется набирать в атмосфере, борясь с разогревом корпуса и перерасходом горючего. А самолет относительно небольшой, места для горючего там очень мало. К тому же взлетать нужно на обычном турбореактивном движке (ТРД), по мере набора скорости и высоты переходить на гиперзвуковой прямоточный реактивный движок (ГПВРД), далее включать ракетный двигатель (РД), корректировать положение в космосе маневровыми двигателями. Для поддержания орбиты желательно иметь плазменный или электрореактивный двигатель (ЭРД). Итого 3 режима полета, режим маневрирования, режим поддержания орбиты. И на все это нужно горючее. А в космосе еще и окислитель нужен. И все это запихнуть в небольшой самолетик. Не правда ли, довольно сложная задача. Я скромно промолчу про сильнейший нагрев корпуса при сходе с орбиты и нагрев при полете в атмосфере на гиперзвуке… Потому в 70-е годы просто не знали, что с этим всем делать и где взять многорежимные движки и куда запихать огромное количество топлива и окислителя. В наше время появились пути решения данных проблем, и я немного про них расскажу.

Про горючее

Главная проблема это не перегрев самолета, не многорежимные движки, а куда деть столько горючего, которое необходимо для полета и как избежать его самоподрыва. Баки в крыльях, что-то можно разместить в корпусе, и все. Крылья очень сильно нагреваются при полете и сходе с орбиты, топливо испарится и взорвется. С топливом в итоге придумали очень красивое решение. Все слышали про гептил – ракетное топливо на котором летает множество ракет. Его химическая формула C2H8N2 в составе которой углерод, азот и водород. Окислять его можно кислородом. Идея в том, чтобы вместо топлива брать заготовку, CnHn а азот брать из воздуха. Потом пропускать это через катализатор и получать молекулу горючего с присоединенным азотом. Я не могу сказать его точную хим. формулу т.к. это как минимум гостайна, но идея такая. В воздухе море азота, пропуская азот (возможно, очень сильно нагретый, источники об этом умалчивают т.к это уже технические тонкости) и заготовку топлива через катализатор, получаем горючее (не гептил, он просто приведен для примера). Точно также из атмосферы можно брать кислород, есть компактные установки по его сжижению. Тогда на чем лететь в атмосфере? На чем-то вроде HnCn что используется для заготовки. А что это у нас такое? Правильно, керосин. На котором все самолеты летают. Итак, в полете в атмосфере мы сжигаем керосин в ТРД или ГПВРД, параллельно часть керосина уходит в катализатор где из него в смеси с азотом получается ракетное топливо, также запасается жидкий кислород. Место в баках высвобождается и одновременно заполняется новым горючим. Не надо ничего с собой тащить. Но запаса керосина хватит или на один орбитальный полет или на обычный полет в атмосфере, баки у нас тоже не резиновые. При заатмосферном полете мы сжигаем полученное ракетное топливо с жидким кислородом и спокойно разгоняемся до 1й космической. Сход с орбиты как у современных аппаратов, в баках останется довольно мало топлива (для недолгого полета и посадки), и решение проблемы перегрева уже дело техники. Также в атмосфере при исчерпании керосина аппарат может лететь в ракетном режиме (если осталось ракетное горючее).

Про перегрев

С горючим вроде разобрались, так что же делать с нагревом? Все, наверное, слышали про эффект кавитации в жидкости, это образование у быстро движущихся объектов пузырьков вакуума и быстрое их схлопывание. К сожалению, это возможно только в несжимаемых средах, в воздухе эффекта кавитации не будет. Но есть ударная волна при движении со сверхзвуковой скоростью. При особой конфигурации поверхностей ударная волна будет как бы отбрасывать воздух от них, и аппарат будет двигаться в вакууме. А раскаленный воздух не будет касаться обшивки – вакуум не проводит тепло, все термосы сделаны по этому принципу. Правда это все работает только с центральной и задней частью аппарата, нос и кромки крыльев все равно будут перегреты. Но что мешает направить излишнее тепло на катализатор и на работу установки по сжижению кислорода (по принципу теплового насоса). В любом случае, нагрев носа и кромок будет огромен, поэтому необходимо применение жаростойкой керамики. Но не плиток как раньше, а детали целиком, с каналами для отведения тепла (жидкостное охлаждение, тем же горючим). А вот сам корпус будет нагреваться значительно меньше. При этом на торможении это никак не скажется т.к. самолет будет лететь не по баллистической, а по аэродинамической траектории, и сможет пролететь намного больше, чем спускаемая капсула с космонавтами. И перегрузки будут значительно ниже. Сплошная выгода для экипажа. При достижении более-менее вменяемых скоростей будут применены элементы аэродинамического торможения как у обычных самолетов.

Про движки

Теперь мы подошли к самому интересному, какой же движок способен обеспечить все это великолепие характеристик. 3 режима – ТРД, ГПВРД, ракетный. Импульсный маневровый (360 град), электрореактивный (коррекция). Ух… Причем все режимы вроде как взаимоисключающие. Для ТРД нужна классическая турбина с компрессором. Для ГПВРД наоборот, турбина вообще не нужна. Для РД нужна камера сгорания и сопло. Для маневровых движков нужен запас рабочего тела (либо это маленькие РД). У электрореактивного (ЭРД) движка вообще особая конструкция. И все это должно выдерживать дикие температуры. Поэтому маневровые движки мы выносим отдельно, как у шаттлов и прячем в корпусе за заслонками. А вот со всем остальным решаем технические проблемы. А проблемы решаем просто. Турбина нам нужна… только для выработки большого количества электричества. Скорее это турбогенератор, и он находится внутри корпуса самолета. Там есть свой воздухозаборник (который закрывается заслонкой на большой скорости), компрессор, компактная высокооборотистая турбина и многоступенчатый генератор, который извлекает энергию как из вращения вала, так и из выхлопа, причем так, что выхлоп практически теряет свою скорость и температуру. Есть вариант с атомным реактором, но для пилотируемого полета он не подойдет. Зачем же нужно столько электричества на борту?

Что будет если в воздухе сформировать мощный электрический разряд? Правильно, воздух ионизируется. Что будет если к ионизированному воздуху приложить электромагнитное поле? Правильно, он начнет двигаться. Вот и весь принцип движков. Движок внешне чем-то напоминает обычный ТРД, только длиннее и пустотелый внутри. Впереди – конус как у старых реактивных самолетов. Внутри движка  горит мощнейшая дуга, по краям обмотки, разгоняющие ионизированный перегретый воздух. Регулируя ток в обмотках можно менять тягу двигателя. Двигая конус вперед-назад можно менять форму ударной волны, объем воздуха, поступающий в движок либо вовсе перекрыть его. Запирание (чтобы раскаленные газы не вырывались вперед) происходит за счет ударной волны. Чем-то напоминает рельсотрон, в котором разгоняется воздух. В этом режиме происходит взлет и выход на сверхзвук. Далее дуга становится значительно слабее (генератор работает на минимальной мощности, а потом и вовсе останавливается, воздухозаборник закрывается) и в движки напрямую впрыскивается горючее, которое сначала поджигается от дуги (комбинированный режим ТРД-ПВРД), а далее горит самостоятельно. Конусом регулируем подачу воздуха в зависимости от скорости и форму запирающей ударной волны. При выходе в космос конус полностью закрывает входное отверстие и движок превращается в камеру сгорания ракетного двигателя. Впрыскиваем горючее, окислитель и получаем ракетную тягу. Вот и все. Для поддержания орбиты впрыскиваем очень малое количество керосина без окислителя, ионизируем разрядами и разгоняем его за счет катушек. Т.к. турбина в космосе не работает, используется аккумулятор. Расход горючего в этом режиме минимален, но аккумулятор тоже не вечный (в случае с ядерным реактором этой проблемы не будет). За счет высокого импульса самолет очень медленно разгоняется и может менять орбиту в космосе. При этом расход электричества в этом режиме также невелик. При необходимости включается обычный ракетный режим. Маневровые движки аналогичны тем что используются на шаттлах, в воздухе закрыты заслонками, в космосе открыты. Для схода с орбиты самолет разворачивается задом по ходу движения, включает двигатели и начинает торможение. Вначале сход происходит по баллистической траектории, далее за счет аэродинамических поверхностей траектория выпрямляется и самолет летит в верхних слоях атмосферы, медленно тормозя. Постепенно скорость сбрасывается и самолет выходит на нужную точку (возможно даже за счет нескольких витков в атмосфере), потом открывается воздухозаборник центральной турбины, запускается генератор, открываются конусы на движках и далее самолет летит и садится в ТРД режиме как самый обычный самолет.

Пока данная конструкция прорабатывается, но в принципе все необходимые технологии для постройки такого аппарата уже есть. Это будет действительно многоразовый космический самолет, а не то что делает Маск. Он сможет доставлять грузы на орбиту, использоваться в военных целях и возможно, даже летать на Луну (какие-то специальные модификации). В принципе, в этом нет ничего невозможного. В 70е пытались «поженить» в одном корпусе ТРД с турбиной и ГПВРД без турбины, в итоге ни к чему это не привело. А решение с ионизацией воздуха позволило избавиться от турбины и сделать пустотелые универсальные двигатели. Главная проблема – огромный объем энергии, который должен вырабатывать генератор для ионизации воздуха и его компактные размеры, но эти решения уже не за горами. Кроме этого, эти движки можно поворачивать или отклонять вниз поток воздуха на взлете заслонками, получив таким образом вертикальные взлет и посадку при достаточной тяге двигателей.

PS. Когда появятся компактные термоядерные реакторы и прямое получение электроэнергии, можно будет вообще не брать с собой горючее, тк разгон в атмосфере, в тч выход на гиперзвук и далее будет происходить полностью за счет описанных выше универсальных ионных двигателей. А в космосе понадобится рабочее вещество (например сжиженный инертный газ) для работы этих движков в режиме ЭРД. И тогда дальние космические полеты и космонавтика в целом станут намного ближе, надежнее, эффективнее и безопаснее.