Содержание
На самолете в космос | Наука и жизнь
Схема освоения приземного воздушного и космического пространства.
Коридор возможных высот и скоростей полета крылатых летательных аппаратов.
Экспериментальные самолеты Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства США для изучения проблем, связанных с освоением гиперзвуковых скоростей полета и созданием многоразового космического транспортного корабля.
Самолет-носитель B-52, под фюзеляжем которого подвешен экспериментальный самолет Х-15.
Схема полета современного истребителя напоминает схему полета разрабатываемого многоразового космического транспортного корабля.
Взлет истребителя с пороховыми ускорителями.
Истребители, снабженные под фюзеляжным дополнительным топливным баком.
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
‹
›
Открыть в полном размере
Когда летишь на современном сверхзвуковом истребителе, забираешься на самый «потолок», на предельную высоту, кажется, что совсем немного недостает машине, чтобы вырваться из пут земного тяготения и выйти на орбиту.
А когда возвращаешься из космического полета и корабль входит в плотные спои атмосферы, невольно думаешь о том, как было бы хорошо, если бы он обладал качествами самолета: можно было бы выполнить необходимый маневр и совершить привычную посадку на аэродром.
К сожалению, пока ни самолет, ни космический корабль не обладают такими качествами. Но я глубоко убежден, что дело это временное.
Авиация подготовила научные и технические заделы в области силовых установок, конструкции аппаратов, бортовых систем, приборов и оборудования, которые явились базой для создания ракеткой техники, для рождения космонавтики. И хотя космические корабли пока мало походят на самолет, а их полет мало напоминает полет самолетов, тем не менее в их конструкции и оснащении есть много от крылатых машин.
Авиацию по праву называют колыбелью космонавтики: только овладев полетом на больших скоростях и высотах, научившись создавать совершенные конструкции летательных аппаратов и мощные реактивные двигатели, человечество смогло предпринять штурм космоса.
Многие ученые, конструкторы, участвующие в исследовании и освоении космического пространства, были тесно связаны с авиацией. Не случайно и то, что первыми покорителями космоса стали летчики.
В то же время многие проблемы, решаемые при создании ракетно-космической техники, и многие результаты исследований, полученные в космических полетах, имеют важное значение для дальнейшего развития авиации. Это теплозащита конструкции, терморегулирование, биологическая защита от космического излучения и многое другое.
Наблюдая прогресс авиационной и космической техники, мы вправе задать себе такой вопрос: будет ли в дальнейшем происходить сближение этих областей, или их развитие пойдет разными путями? Есть серьезные основания считать, что в недалеком будущем произойдет заметное сближение авиации и космонавтики.
Дальнейший прогресс авиации связывают в основном с двумя направлениями; с созданием аэробусов — крупных самолетов, способных перевозить по нескольку сот пассажиров, и с переходом к еще большим скоростям полета.
В последние годы очень быстро растут пассажирские перевозки на воздушных линиях, связывающих крупные города с местами массового туризма, с курортами. А поскольку значительная часть перевозок приходится сейчас на самолеты небольшой и средней вместимости, некоторые аэропорты работают очень напряженно.
Выход из создавшегося положения авиационные конструкторы видят в создании аэробусов — крупных самолетов для обслуживания линий небольшой и средней протяженности. Это будут представители третьего поколения реактивных пассажирских лайнеров. Большая коммерческая нагрузка, высокая крейсерская скорость, низкий расход топлива на километр пути, небольшие затраты на техническое обслуживание, большой ресурс самолета, двигателей и всех агрегатов — таковы должны быть достоинства аэробусов.
В Советском Союзе конструкторским бюро Сергея Владимировича Ильюшина разрабатывается аэробус «Ил-86». Он сможет перевозить 350 пассажиров со скоростью 950 километров в час на дальность до 4 600 километров.
Граница скорости полетов в пределах Земли известна — ее уже достигли баллистические ракеты и искусственные спутники Земли. Это первая космическая скорость — 7,9 км/сек. До нее авиации пока еще далековато — мировые достижения скорости самолетов находятся где-то в районе 3—4 тысяч километров в час, то есть 1 км/сек.
Что же стоит на пути достижения авиацией больших скоростей полета?
Своим возникновением и развитием авиация обязана воздушной оболочке планеты. Воздух создает опору летящему самолету, позволяет маневрировать в пространстве, он же используется для «дыхания» двигателей. Но одновременно воздух создает и аэродинамическое сопротивление, на преодоление которого тратится значительная мощность двигателей, причем с увеличением скорости это сопротивление резко возрастает. Кроме того, воздух ставит на пути к большим скоростям полета ряд пороговых препятствий, барьеров. Это хорошо известный теперь звуковой барьер. Его уже преодолела не только военная, но и гражданская авиация.
Однако далось это не легко и не сразу. Это также тепловой барьер — недопустимый нагрев самолетов при полете на скоростях, в три и более раз превышающих скорость звука. К этому барьеру несколько лет назад вплотную подошла военная авиация. Экспериментальные самолеты предпринимают вылазки за его пределы. Но пока это лишь проба сил.
Попутно хочется отметить, что само название «барьер» для авиации не совсем удачно. Это не барьеры в обычном понимании слова — преодолел, а дальше снова легкая дорога. Это скорее рубеж, на котором авиация встречается с новыми серьезными трудностями, причем, появившись однажды, они уже не исчезают, а требуют к себе постоянного внимания.
Самолет, превысив скорость звука, преодолев звуковой барьер, все время как бы несет его на себе в виде ударной волны и становится своеобразным источником непрерывного, бесконечно растянутого взрыва. Такое же положение с тепловым барьером.
По мере развития авиации конструкторам приходится решать все более сложные задачи.
Если, к примеру, для небольших скоростей полете в атмосфере аэродинамические расчеты производятся независимо от тепловых, то при полетах на сверхзвуковых скоростях в аэродинамических расчетах приходится уже учитывать теплообмен, решать вопрос о тепловой защите аппарата, то есть решать типичную задачу теории тепломассообмена.
Современные лайнеры летают обычно на высоте 8—10 километров со скоростью около 900 километров в час. В этих условиях аэродинамический нагрев незначителен, и его во внимание не принимают. Если же самолет будет лететь на этой высоте со скоростью в 3 тысячи километров в час, то, как показывают простейшие расчеты, температура заторможенного воздушного потока — слоев воздуха, омывающих поверхность самолета,— составит плюс 280 градусов Цельсия. На гиперзвуковых скоростях (превышающих скорость звука в пять и более раз) она превысит тысячу градусов. При скорости 10 тысяч километров температура достигнет уже 3 600 градусов,
С трудными задачами теплозащиты уже столкнулись создатели космической техники.
Были разработаны так называемые абляционные покрытия, теплозащитные свойстве которых основываются на переходе материала из твердого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу. Абляционные покрытия защищают спускаемый аппарат космического корабля, тормозящийся при спуске в атмосфере Земли, от тепловых потоков, достигающих 6—8 тысяч градусов. Но действие таких покрытий связано с укосом массы, а следовательно, с изменением формы покрытия, что совершенно нежелательно для аппаратов, использующих в полете подъемную силу крыльев и корпуса, снабженных аэродинамическими органами управления.
Но даже если бы удалось создать надежную тепловую защиту, попет с гиперзвуковыми скоростями на освоенных высотах был бы невыгоден по экономическим соображениям — расход энергии на преодоление аэродинамического сопротивления воздуха был бы слишком большим.
Вот почему летать с большими скоростями можно лишь в разреженной атмосфере. Здесь и задачи теплозащиты аппарата могут быть решены доступными средствами.
Другими словами, надо подниматься в область не освоенных еще высот, в область верхней атмосферы, которая лежит между высотами 30 и 150 километров. Самолеты не могут здесь летать вследствие недостаточной подъемной силы крыльев и тяги воздушно-реактивного двигателя, а орбитальный полёт космического корабля на таких высотах невозможен из-за большого аэродинамического торможения. Эта область разреженной атмосферы пока разделяет авиацию и космонавтику, не дает установить между ними более тесное взаимодействие.
А нужно ли такое взаимодействие? Да, нужно. В околоземном космическом пространстве без него вряд ли можно будет обойтись. С дальнейшим расширением деятельности человека в этом районе все обслуживание между Землей и околоземными орбитами, очевидно, придется взять на себя аппаратам самолетного типа.
Есть ли какие-либо данные о том, что авиация и космонавтика стремятся освоить пространство верхней атмосферы?
Есть… И уже немало.
В частности, экспериментальные пилотируемые самолеты с ракетными жидкостными двигателями, запускаемые в США с самолетов-носителей, достигали высоты более 80 километров и скорости полета около 6 тысяч километров в час.
После отделения от носителей самолеты разгонялись и выходили на баллистическую траекторию, Для управления вне пределов плотной атмосферы на них использовались не аэродинамические, а струйные рули. Однако ограниченный запас топлива позволял самолетам выполнять лишь своеобразный подскок вверх, после чего они планировали и совершали посадку.
В полетах экспериментальных ракетных самолетов ученым и конструкторам удалось получить ответы на многие вопросы. В частности, немало нового узнали они об аэродинамике и устойчивости аппаратов, летающих на гиперзвуковых скоростях, о воздействии аэродинамического нагрева на их конструкцию и на работоспособность систем, об особенностях входа в плотные слои атмосферы на больших скоростях с использованием подъемной силы.
Авиация подбирается к области неосвоенных высот снизу, космонавтика — сверху.
Как известно, снижение кораблей «Восток» и «Восход» происходило по баллистической траектории. Рассеивание (проще говоря, показатель неточности попадания в расчетную точку приземления) и перегрузки при таком спуске были довольно значительными, ибо аппарат полностью отдавался во власть стихии — управлять им не представлялось возможным.
Меньшие перегрузки при снижении и значительно большую точность приземления можно было получить лишь при управляемом спуске, то есть при таком спуске, когда в атмосфере происходит управление траекторией спуска корабля. Именно так происходит спуск «Союзов». Правда, этот способ снижения с орбиты потребовал преодоления ряда технических трудностей. Во-первых, нужно было придать спускаемому аппарату форму, обеспечивающую ему аэродинамическое качество. (Эта характеристика, пришедшая из авиации, есть отношение подъемной сипы аппарата к величине его лобового сопротивления.) Кроме того, нужно было создать систему, управляющую кораблем как на внеатмосферном, так и на атмосферном участках полета, и решить ряд других задач. Но зато управляемый спуск позволил снизить перегрузки в 2—3 раза (с 8—10 до 3—4 единиц) и значительно уменьшить рассеивание точки приземления.
От управляемого спуска космического корабля до управляемого полета в верхней атмосфере дистанция еще, конечно, огромного размера.
Но тем не менее можно считать, что определенный шаг в этом направлении был сделан и космонавтикой.
В последние годы советские ученые провели ряд других экспериментов, имеющих важное значение для сверхвысотной и сверхскоростной авиации будущего. Я имею в виду эксперименты на автоматических ионосферных лабораториях «Янтарь».
На борту этих лабораторий, запускавшихся с помощью геофизических ракет, устанавливались электрореактивные двигатели. Испытания показали достаточно устойчивую работу этих двигателей на разных высотах и в разных режимах. Примечательно то, что на борту не было ни горючего, ни окислителя. Рабочим телом служил азот атмосферы, правда, предварительно ионизированный. Таким образом, была доказана реальная возможность применения электрических реактивных двигателей для транспортных средств, совершающих полет в верхней атмосфере.
Процесс взаимопроникновения авиации и космонавтики начался уже давно, а в последнее время идет особенно активно.
Если лет десять назад еще трудно было говорить об аппаратах, сочетающих качества космического корабля и самолета, то теперь положение изменилось. Облик таких аппаратов предстает достаточно отчетливо. И не только потому, что проведены многие фундаментальные исследования. Главное — конкретнее, определеннее стали цели их создания.
Будущее космонавтики в значительной мере связано с долговременными орбитальными станциями и лабораториями различного назначения. Советская наука рассматривает их создание как магистральный путь человека в космос.
Опыт создания и эксплуатации орбитальных станций советской «Салют» и американской «Скайлэб» показал, что современной космонавтике такая задача уже по плечу.
Но сами станции представляют лишь часть космической системы. Для их эксплуатации— смены экипажей, доставки запасов продовольствия, топлива для двигателей и других материалов — нужны транспортные корабли, которые совершали бы регулярные рейсы по трассе Земля — орбита — Земля.
Это звено системы оказалось пока наиболее слабым. Современные ракетно-космические транспортные средства сравнительно дороги, недостаточно грузоподъемны, требуют долгого времени для подготовки к старту. Все космические аппараты (пилотируемые и беспилотные) выводятся сейчас в космос с помощью одноразовых ракет-носителей. Сложные космические корабли также предназначаются лишь для одного полета.
Разве можно примириться, например, с тем, чтобы крупный океанский лайнер, строящийся несколько лет, предназначался для одного-единствениого рейса? А в космонавтике именно так дело и обстоит.
Возьмем, к примеру, американскую ракету-носитель «Сатурн-5», которая обеспечивала полеты кораблей «Аполлон» к Луне. Этот исполин высотой более 100 метров и весом почти в 3 тысячи тонн фактически прекращал свое существование через несколько минут после старта. А ведь каждая такая ракета стоит ни много ни мало 280 миллионов долларов. Через 10—12 дней от всей сложнейшей системы «Сатурн» — «Аполлон» оставалась лишь небольшая обгоревшая в атмосфере и практически непригодная для дальнейшей эксплуатации спускаемая капсула, в которой экипаж возвращался на Землю.
Победная дорога космонавтики усеяна сгоревшими обломками ракет, блоков космических кораблей и брошенными на орбитах спутниками.
Такая «одноразовость» техники превращается в серьезный тормоз дальнейшего развития космонавтики и космических исследований. На первых порах, когда запусков было не так много, а исследования не косили столь большого масштаба, с этим можно было мириться. В дальнейшем же подобное расточительство станет невозможным.
Выход из создавшегося положения специалисты видят в разработке принципиально новых космических транспортных кораблей. Существует много различных проектов, но все такие корабли по замыслу конструкторов должны «уметь» летать в атмосфере, выходить на околоземную орбиту, находиться на ней достаточно продолжительное время, а затем совершать посадку по-самолетному, на свой аэродром. И, что особенно важно, сохранять как можно больше элементов системы для повторного использования.
Чтобы удовлетворять этим требованиям, новые космические корабли должны существенно отличаться от нынешних.
Во всяком случае, их орбитальные ступени должны обладать многим из того, что есть у современного самолета.
В поисках схемы нового космического транспортного корабля научно-техническая мысль прошла долгий и сложный путь. Идеальной схемой корабля, отвечающей самым строгим требованиям, сейчас считается двухступенчатая схема с параллельным расположением ступеней. Обе ступени, возвращаемые, пилотируемые, снабжены крылом; как и самолет, они стартуют с аэродрома и садятся на аэродром. Такой корабль можно представить в виде двух самолетов: внизу большой — самолет-разгонщик, а на нем меньший. Большой взлетает с аэродрома, и после того, как достигнута расчетная скорость, меньший отделяется от него и с помощью своих двигателей выходит на орбиту. Самолет-разгонщик тем временем возвращается на аэродром. Выполнив задачу, орбитальный самолет сходит с орбиты и также совершает посадку на аэродром.
Горизонтальный, или самолетный, старт предпочтительнее для многоразового космического корабля, хотя при ракетном старте выводится большая полезная нагрузка.
Горизонтальный старт дает возможность выполнять боковой маневр при выведении корабля и запускать вторую ступень практически в любое время без ограничения по азимуту. А это значит, что транспортная система с горизонтальным стартом более маневренна.
Однако реализация такого проекта сегодня еще слишком сложна. Он опережает время, включает еще много нерешенных проблем.
Наиболее приемлемым пока считается проект транспортного корабля, у которого первая ступень — непилотируемая, частично восстанавливаемая для повторного использования, а вторая ступень — пилотируемая, самолетного типа. Отход от «идеальной» схемы означает прежде всего возвращение к вертикальному ракетному старту, утрату в полете некоторых элементов системы. Заметьте: утрату не всей ракеты-носителя и не всего корабля, как сейчас, а лишь некоторых элементов.
В США разрабатывается космический транспортный корабль под названием «Шаттл» («Челнок»). Он имеет двухступенчатую схему с параллельным расположением ступеней, обе ступени возвращаемые; двигательные установки ступеней включаются одновременно.
Первая ступень состоит из двух спасаемых (то есть возвращаемых на Землю и пригодных для повторного использования) непилотируемых ракетных блоков с двигателями, работающими на твердом топливе. Вторая ступень крылатая, пилотируемая, оснащенная в водородно-кислородными ЖРД и сбрасываемым перед выходом на орбиту топливным баком. В этой схеме используются преимущества ракетной техники, в частности, применяется высокоэнергетическое топливо и вертикальный старт. Единственная часть системы, которая будет утрачиваться в полете, — топливный бак второй ступени.
Вся эта система чем-то напоминает истребитель, снабженный подфюзеляжным дополнительным топливным баком и двумя пороховыми ускорителями. Взлет такого самолета не раз демонстрировался на воздушных парадах. Только в отличие от него космический транспортный корабль будет иметь топливный бак огромных размеров, превышающий по размерам и весу сам корабль почти вдвое. А вместо компактных пороховых ускорителей — два больших спасаемых твердотопливных ракетных блока.
Отмечая недостатки существующих пилотируемых космических кораблей, мы назвали два: одноразовость и недостаточную грузоподъемность. В действительности недостатков гораздо больше, В частности, нынешние корабли мало маневренны, выполняют только парашютную поездку, для поиска и эвакуации их спускаемых аппаратов требуется специальная служба. Пока все они совершают полет по «жестким» орбитам, не производят маневра плоскостью орбиты, поскольку такой маневр связен с огромным расходом топлива. Вследствие этого корабли не могут спускаться в заданный район, если через него не проходит очередной виток.
Создание аппарата, обладающего большими маневренными возможностями на орбите, заметно расширило бы перспективы всей околоземной космонавтики. Можно было бы уже не запускать, а просто доставлять спутники не орбиты в грузовом отсеке корабля, обслуживать и ремонтировать их в космосе, возвращать на Землю материалы исследований и наблюдений, выполненные спутниками, и даже сами спутники е случае их выхода из строя.
Не пришлось бы больше решать сложные проблемы, связанные, в частности, с отделением носовых обтекателей, раскрытием антенн, панелей солнечных батарей. На орбите перед отделением спутника от корабля можно проверить работу его аппаратуры. Значительно снизились бы затраты на разработку выводимых на орбиту аппаратов, поскольку менее жесткими оказались бы ограничения их веса и габаритов. Кроме того, можно было бы обходиться без сложных мер защиты от воздействия больших перегрузок, вибрации, шумов.
С помощью маневрирующих пилотируемых аппаратов может быть организована эффективная служба помощи в космосе.
Ныне спасательный корабль может сблизиться с кораблем, терпящим бедствие, лишь в том случае, если он запущен в тот момент, когда орбита корабля, терпящего бедствие, проходит над местом старта. А повторяется это лишь раз в сутки.
Теперь представим себе, что необходимо срочно эвакуировать экипаж орбитальной станции и что в космосе уже находится пригодный для этого корабль, но угол наклона его орбиты относительно плоскости земного экватора не такой, как у орбиты станции.
Сейчас в подобной ситуации для сближения корабля и станции ничего сделать нельзя. А вот транспортный корабль, обладающий аэродинамическим качеством, в состоянии выполнить нужный маневр. Для этого ему придется погрузиться в атмосферу, проделать необходимые эволюции, а затем снова выйти на орбиту. Путем многократного погружения в атмосферу можно значительно изменить плоскость орбиты космического аппарата. Конечно, это также требует расхода топлива, но значительно меньшего, чем маневрирование на орбите, ибо в осуществлении маневра такому кораблю помогает атмосфера.
Когда в свете новых требований, предъявляемых к космическому полету, начинаешь думать: что же надо совершенствовать — современный космический корабль или современный самолет, то неизбежно приходишь к выводу, что путь к новому кораблю от авиации, пожалуй, ближе, чем от космонавтики. Орбитальная ступень этого корабля должна иметь все, чем располагает самолет: фюзеляж достаточно большой длины, крылья, систему для захода на посадку, шасси, аэродинамические органы управления.
Но разработка такого корабля (его с полным основанием можно назвать воздушно-космическим самолетом) — задача не простая. Ряд научных и технических проблем, решенных ранее применительно к нуждам космонавтики, приходится решать заново. Возьмем хотя бы теплозащиту орбитальной ступени при входе в плотные спои атмосферы. Возникает необходимость в разработке новых методов теплозащиты и новых теплозащитных материалов.
В отличие от спускаемого аппарата космического корабля орбитальная ступень воздушно-космического самолета должна рассеивать значительную часть кинетической энергии не в плотной атмосфере, а на больших высотах, вследствие чего ее нагрев будет определяться прежде всего углом входа в атмосферу. Облегчить тепловой режим орбитальной ступени при входе в плотные слои атмосферы может спуск ее на больших углах атаки. Тогда непосредственному воздействию набегающего потока будут подвергаться только нижние поверхности ступени, площадь которых составляет примерно одну треть от всей поверхности.
То есть большая часть поверхности орбитальной системы не потребует сложной теплозащиты. И самое главное — не будет областей с очень большими температурами, что наблюдается при малых углах атаки.
Продолжительность полета на атмосферном участке снижения нового космического аппарата может возрасти с десяти минут, так обстоит дело сейчас, до часа и более. В этих условиях температура большей части, если не всей конструкции аппарата, будет близка к равновесной температуре излучения, что позволит не применять для теплозащиты абляционные материалы.
Однако проектирование конструкции, охлаждаемой излучением, требует точного знания местных тепловых потоков по всей поверхности. Выбор материалов должен быть сделан без ошибок, которые допустимы при более толстом теплозащитном покрытии из абляционного материала. Поскольку тепловые потоки связаны с распределением давления, выбор геометрической формы аппарата приобретает огромное значение.
При исследовании различных форм космических самолетов особое внимание уделяется их маневренности на гиперзвуковой скорости и величине аэродинамического качества.
Чем большим аэродинамическим качеством будет обладать такой самолет, тем меньше ему придется ожидать момента схода с орбиты для возвращения в заданный район земного шара. При достаточно большом значении аэродинамического качества аппарат может достичь любой точки на земной поверхности, спускаясь с орбиты в любой момент.
У техники уже есть опыт создания универсальных транспортных средств, таких, скажем, как плавающие и летающие автомобили или самолеты-амфибии. В большинстве случаев в них механически объединены и самостоятельно действуют разные машины. Плавающий автомобиль, например, и до сих пор имеет все необходимое для движения по суше плюс водонепроницаемый корпус, винт или водометный движитель. Самолет-амфибия — это лодка или катамаран плюс самолет.
Полет в двух столь отличных друг от друга средах, как атмосфера и космический вакуум, потребует оснащения нового аппарата как аэродинамическими, так и газореактивными органами управления. Первые (киль, руль поворота, элевоны) будут предназначаться для полета в плотных слоях атмосферы, вторые (группы реактивных двигателей или газовых сопел) — для полета в космосе и в верхней разреженной атмосфере.
Такое сочетание считается в технике вынужденным, нежелательным, но неизбежным,
В принципе новый аппарат можно было бы снабдить только газореактивными органами управления — реактивная тяга универсальна для обеих сред, но в этом случае пришлось бы отказаться от многих преимуществ, которые дает атмосфера, иметь значительно больший запас топлива или газа, причем носить этот запас до конца полета.
Боковой маневр и маневр по дальности (к примеру, при выборе точки приземления) космический самолет будет выполнять за счет аэродинамических сил, изменяя свои угол крена и угол атаки. Величина боковой дальности (максимальное отклонение вправо и влево) зависит от аэродинамического качества орбитальной ступени: чем оно выше, тем больше боковая дальность. Чтобы получить, например, боковую дальность ±2 000 км, орбитальная ступень должна иметь аэродинамическое качество на спуске около 1,3.
Напрасно стали бы мы рассматривать все проблемы, связанные с созданием космического аппарата нового типа — их очень много.
Это устойчивость и управляемость аппарата, особенно при входе в атмосферу и при посадке, это двигательные установки для обеих ступеней, заправка и хранение топлива. Для нового космического аппарата понадобятся малогабаритные источники электроэнергии — на нем негде установить панели солнечных батарей. Не обойтись без усовершенствования командно-измерительного комплекса, разработки новых систем спасения космонавтов на всех этапах полета, без разрешения многих вопросов эксплуатации. Однако решение всех этих проблем по силам современной науке и технике. Создание космического самолета — вполне реальное дело, и, очевидно, недалеко время, когда мы станем свидетелями его первого полета.
От тесного содружества авиации и космонавтики, этих передовых областей науки и техники, выиграет не только космонавтика. Не менее впечатляющими могут стать в недалеком будущем достижения авиации. Освоение сверхзвуковых скоростей и больших высот даст толчок развитию гиперзвуковых самолетов как транспортного средства.
Самолеты, которые придут на смену современным сверхзвуковым лайнерам, смогут за несколько часов доставлять людей и грузы в любую точку земного шара.
Туда и обратно. Как построен космический туризм
Читайте также
В Москву за прививкой Приблизить Испанию в Москве Гендиректор «Шереметьево»: «Садишься на мотоцикл, и через несколько минут голова абсолютно ясная»
Туристические космические полеты чем-то напоминают обещания «начать новую жизнь с понедельника». Много разговоров и очень мало дела. За двадцать с лишним лет, с начала нынешнего века, были написаны тысячи статей о космическом туризме, а в реальности в космос за свои деньги слетали лишь семь человек, один из которых – Чарльз Симони, глава и основатель компании Intentional Software, – дважды.
Все космические туристические полеты были проведены при помощи российских космических кораблей «Союз» в период с 2001 по 2009 гг. Эти полеты совершались на Международную космическую станцию (МКС) и продолжались 10–14 суток.
Чаще всего экипажи на МКС работают по нескольку месяцев, поэтому турист прилетал на станцию с одним экипажем, а возвращался на Землю уже с другим. Цена на такой полет колебалась от $20 млн до 35 млн и подразумевала достаточно длительный (до года) этап подготовки. Подготовка проводилась в Звездном городке и включала в себя как медицинские проверки, так и отработку возможных аварийных ситуаций. Но вот уже почти двенадцать лет не было организовано ни одного такого полета.
К счастью, 2021 год должен стать рубежным и резко изменить ситуацию. До конца этого года в космос должны отправиться сразу несколько миссий – как суборбитальных, так и более серьезных полетов на МКС. Попробуем разобраться, что стоит за этими названиями и можно ли уже становиться в очередь за билетами.
У самой границы космоса
По определению Международной авиационной федерации, космическое пространство начинается на высоте в 100 км над уровнем моря. Эта граница называется линией Кармана и взята достаточно условно.
Нет ничего, что бы указывало ее в реальном мире. Однако граница существует, и если вы поднялись выше 100 км – вы уже космонавт. Именно на этом допущении и строится суборбитальный туризм.
Чтобы просто поднять космический корабль с туристами до этой высоты и не выводить их на орбиту, нужна гораздо менее мощная и дорогая ракета. Ну, и медицинских обследований для такого полета требуется гораздо меньше. Суборбитальный полет чем-то похож на обычный космический в миниатюре – подъем на высоту в 100 км с перегрузками, несколько минут невесомости, прекрасные виды из иллюминаторов, а затем спуск космического корабля с парашютом. Приземляется он практически в том же месте, с какого и стартовал. На все дается 10–15 минут.
Стоимость такого полета примерно $500 000, в перспективе может снизиться до 200 000–250 000. Такой цены получится добиться за счет полной многоразовости системы New Shepard – ступень ракеты после достижения космическим кораблем необходимой высоты отсоединяется, возвращается на космодром и приземляется на собственных двигателях, а космический корабль возвращается на парашютной системе и тоже используется повторно.
Наиболее близка к началу регулярных суборбитальных полетов компания Blue Origin, которая принадлежит американскому миллиардеру Джеффу Безосу. Он уже давно работает над реализацией этой идеи, и вот наконец должен состояться первый полет с пассажирами. Судя по всему, в первый полет отправятся три человека – сам Джефф Безос (чтобы показать, насколько безопасна разработанная система), его брат Марк и победитель аукциона, отдавший за место в этом полете $28 млн (чего не сделаешь ради возможности стать первым!).
Первый тестовый полет должен состояться 20 июля, уже меньше чем через месяц, а после него суборбитальные полеты Blue Origin должны стать регулярными.
Есть и еще одна компания, которая занимается суборбитальными полетами, – Virgin Galactic, принадлежащая британскому миллиардеру Ричарду Брэнсону. Вместо ракеты и космического корабля здесь используется самолет-разгонщик WhiteKnightTwo, который поднимается до отметки в 16 км и отпускает космолет SpaceShipTwo. Космолет, используя собственные двигатели, добирается до линии Кармана, а затем возвращается обратно.
Весь полет занимает два с половиной часа, но и невесомости обещают больше – целых пять-шесть минут.
Ричард Брэнсон, после того как услышал о дате полета Blue Origin, заявил, что окажется в космосе раньше. Дата полета SpaceShipTwo установлена на 4 июля. Предполагается, что сразу после этого начнутся туристические полеты. Миллиардер начал продавать билеты на полет в космос еще в 2009 г., тогда цена за полет составляла $250 000. К настоящему времени очередь состоит из более чем шестисот человек, внесших депозит.
Долго, дорого, серьезно
В декабре 2021 г. должен состояться еще один космический туристический полет. На Международную космическую станцию на корабле «Союз» полетят два японских туриста – бизнесмен Юсаку Маэдзава и его друг и помощник Едзо Хирано. В настоящее время они уже проходят подготовку к полету в Звездном городке. Командиром экипажа будет российский космонавт Александр Мисуркин, а продолжительность космического полета составит 12 суток. Сколько будет стоить этот полет на МКС, пока неизвестно, но, скорее всего, дороже, чем это обошлось космическим туристам «первой волны».
Предположительно, цена составит около $50–60 млн. Впрочем, судя по всему, в мире достаточно людей, готовых заплатить такие суммы.
Юсаку Маэдзава хочет побывать не только на МКС, но и облететь Луну. Еще в 2018 г. он купил билеты на облет Луны у компании Илона Маска SpaceX. Первоначально полет должен был состояться при помощи ракеты-носителя Falcon Heavy, а затем его поменяли на разрабатывающийся в настоящее время Starship. Японский предприниматель продолжает набор команды из восьми человек – художников и музыкантов – для совместного полета к Луне за его счет.
В начале 2022 г. должен состояться первый полет космических туристов на МКС на корабле Crew Dragon компании SpaceX. Кто полетит на станцию, пока неизвестно, однако компания Axiom Space кроме этого полета подписала договор на еще три космических туристических полета. А значит, в ближайшие годы мы увидим все больше туристов на орбите, осталось только посчитать – хватает ли у вас денег на такое удивительное путешествие.
Мнение редакции может не совпадать с точкой зрения автора.
Blue Origin Безоса против Virgin Galactic Брэнсона
смотреть сейчас
Ричард Брэнсон и Джефф Безос готовятся к запуску с разницей всего в несколько недель, но точные границы и опыт их космических полетов стали предметом разногласий.
Virgin Galactic Брэнсона летает выше 80 километров (или около 262 000 футов), что является высотой, которую США признают границей космоса, в то время как Blue Origin Безоса летает выше 100 километров (или около 328 000 футов), что широко известно как Линия Кармана.
После того, как Брэнсон заявил, что планирует запуск всего за девять дней до ранее объявленного космического полета Безоса, генеральный директор Blue Origin Боб Смит осудил подход Virgin Galactic как «совершенно другой опыт», потому что «они не летают выше линии Кармана».
Генеральный директор Virgin Galactic Майкл Колглейзер ответил просто: «Мы идем выше линии астронавтов», добавив, что на сегодняшний день это «единственная коммерческая компания, которая летала с частными астронавтами».
Сэр Ричард Брэнсон из Virgin Galactic (слева) и основатель Blue Origin Джефф Безос.
Getty Images
В воскресенье Брэнсон планирует запустить четвертый на данный момент космический полет компании Virgin Galactic. Он основал компанию 17 лет назад, и сейчас компания пытается завершить испытания в этом году, чтобы начать полеты пассажиров космического туризма в начале 2022 года. У Blue Origin Безоса есть цели, выходящие за рамки туризма, но миллиардер также стремится к совершенству. космоса на первом пилотируемом запуске компании 20 июля.
Центральным в споре двух миллиардеров является то, что линия, где начинается космос, не является общепризнанной высотой, факт, который астрофизик Джонатан Макдауэлл подчеркнул в интервью CNBC.
«Это не так, как если бы США были в одном направлении, а все остальные — в другом… никакого реального международного соглашения не существует», — сказал Макдауэлл.
Существует множество причин, по которым Макдауэлл утверждает, что 80 километров — это самая четкая граница пространства, например, научная мера земной атмосферы, гравитационная физика и исторический прецедент, в том числе исходная линия венгерско-американского инженера Теодора фон Кармана.
было ближе к 80, чем к 100.
Макдауэлл — астрофизик из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, опубликовавший в 2018 году статью с более подробной информацией о дебатах по поводу предполагаемой границы космоса. Малая планета (4589) Макдауэлл назван в его честь.
Космический корабль
VSS Unity высвобождается из самолета-носителя VMS Eve во время запуска третьего космического полета 22 мая 2021 года.
Virgin Galactic
Ключом к пониманию спора являются различия между космическими кораблями компаний. Прежде всего, ни Blue Origin, ни Virgin Galactic не летают на орбиту — оба космических корабля определены как суборбитальные, способные доставить пассажиров на край космоса и парить в условиях микрогравитации максимум несколько минут. Орбитальный полет, такой как SpaceX Илона Маска, стоит десятки миллионов долларов и обычно занимает несколько дней или недель в космосе.
Ракета New Shepard компании Blue Origin запускается вертикально с земли с капсулой для шести пассажиров, которая отсоединяется от ракетного ускорителя в верхней части полета.
После этого капсула возвращается на Землю под управлением набора парашютов, а ракета-носитель возвращается на землю отдельно, чтобы ее можно было снова запустить.
Система SpaceShipTwo компании Virgin Galactic выпущена в воздух самолетом-носителем, после чего запускается ракетный двигатель и изгибается в наборе высоты. После медленного сальто назад в условиях микрогравитации космический корабль возвращается на Землю в плане для посадки на взлетно-посадочную полосу.
Ракета New Shepard запускается во время испытательного полета.
Blue Origin
Разница в высоте каждого космического корабля составляет около 15 километров или 50 000 футов. Эта разница, отметил Макдауэлл, примерно «на 20% выше» и «может быть, заметна» для пассажиров, «но не драматична».
«Я думаю, что экспериментально это будет довольно похоже», — сказал Макдауэлл. «Важно то, что [разница] несколько произвольна».
100 км против 80 км
смотреть сейчас
В споре о высоте 100 километров или 80 километров Макдауэлл подчеркнул, что «на самом деле неправильно говорить, что остальной мир признает 100 километров».
Он сказал, что хранитель авиационных записей Международной авиационной федерации (FAI) является «единственным официальным местом», которое придерживается 100 километров, еще раз заявив, что «это не международное право».
Тем не менее, Blue Origin удвоила свое представление о линии Кармана в твите в пятницу.
«На 96% населения мира, космос начинается на высоте 100 км», — заявила компания. Force награждала пилотов своих ракетных самолетов X-15 крыльями астронавтов после того, как они пролетели более 80 километров.
Что касается вооружений, Макдауэлл подчеркнул, что «США сопротивлялись заключению какого-либо международного соглашения» о границе космоса, «потому что они не хотят, чтобы пространство было слишком четко определено».0003
«Потому что тогда становится очевидным, что их ракеты летят сквозь космос и потенциально могут подпадать под действие космического права», — сказал Макдауэлл. «Общая идея состоит в том, что [военные] США имеют больше свободы действий, если она не определена».
На научной основе Макдауэлл привел аргументы, основанные на физике, для 80 километров, основанные на плотности верхних слоев атмосферы. С помощью моделирования его исследование показало, что край атмосферы «не так сильно колеблется» и довольно стабильно влияет на космический корабль.
«Если вы посмотрите на спутники с эллиптической орбитой, вы обнаружите, что они могут выжить, когда ближайшая точка их орбиты к Земле находится в середине 80 километров. Но всякий раз, когда она опускается до середины 70-х, они просто сгорают и больше не может вращаться», — сказал Макдауэлл.
Наконец, Макдауэлл говорит, что сам Теодор фон Карман «первоначально не считал» 100 километров границей космоса. Его подход также был «идеей, основанной на физике» и «был где-то около» середины 80-километрового диапазона. Но со временем, по словам Макдауэлла, люди, работавшие над исследованием Кармана, решили не «указывать так точно» и вместо этого решили «просто округлить» до 100.
«Линия Кармана стала синонимом 100 километров, но изначально это не было определением линии Кармана», — сказал Макдауэлл.
Станьте более разумным инвестором с CNBC Pro .
Получите подборку акций, звонки аналитиков, эксклюзивные интервью и доступ к CNBC TV.
Зарегистрируйтесь, чтобы начать бесплатную пробную версию сегодня .
В чем разница между орбитальным и суборбитальным космическим полетом?
Суборбитальный аппарат Virgin Galactic совершил свой второй полет в космос 22 февраля 2019 года.
(Изображение предоставлено Virgin Galactic)
Орбитальный и суборбитальный полеты — распространенные термины в индустрии космических полетов, которые звучат очень похоже, но означают разные вещи.
Основное различие между орбитальным и суборбитальным полетом заключается в скорости, с которой движется аппарат. Орбитальный космический корабль должен достичь так называемой орбитальной скорости, тогда как суборбитальная ракета летит со скоростью ниже этой.
Орбитальная скорость — это скорость, которую объект должен поддерживать, чтобы оставаться на орбите вокруг планеты, согласно пояснителю из австрийской частной аэрокосмической компании Orbspace . Хороший способ изобразить это — представить мяч, брошенный на уровне земли — при обычной скорости броска мяч летит по дуге в воздухе, прежде чем ударится о землю. Но скажем, вы должны поместить на шар маленькую ракету, которая заставит его лететь так быстро, что его дугообразная форма будет точно соответствовать кривизне Земли. В этот момент мяч достиг бы орбиты и летел бы на постоянной высоте над нашей планетой.
Связанный: Важнейшие вехи в космическом полете человека
Чтобы выйти на орбиту на высоте 125 миль (200 километров) над Землей, космический корабль должен двигаться со скоростью 17 400 миль в час (28 000 км/ч). «На самом деле именно эта невероятно высокая скорость делает орбитальный космический полет технически таким сложным и, следовательно, дорогим», — написали представители Orbspace.
Одна из основных причин, по которой самолеты не могут летать в космосе , заключается в том, что они летают недостаточно быстро.
Суборбитальный полет, напротив, требует гораздо меньших скоростей. Суборбитальная ракета не способна выйти на орбиту. Вместо этого он поднимется на определенную высоту, которая зависит от его скорости, а затем вернется обратно после выключения двигателей. Чтобы достичь 125 миль над Землей, суборбитальный аппарат должен лететь на относительно спокойной скорости 3700 миль в час (6000 км/ч), хотя это все же намного быстрее, чем у коммерческого самолета, который летает со скоростью около 575 миль в час (925 км/ч).
В верхней части дуги полета пассажиры суборбитального корабля все же могут несколько минут находиться в невесомости. На самом деле они падают обратно к Земле , но они находятся в свободном падении, подобно самолету, выполняющему параболические маневры для имитации невесомости.
Ракета Blue Origin New Shepard запускает многоразовый космический корабль HG Wells в его рекордном 6-м полете в суборбитальный космос с космодрома компании в Западном Техасе, 11 декабря 2019 г.
. (Изображение предоставлено Blue Origin)
(открывается в новой вкладке)
Несколько частных космических компаний борются за то, чтобы брать платных клиентов в орбитальные или суборбитальные полеты. Virgin Galactic и Blue Origin стремятся в ближайшем будущем организовать регулярные частные суборбитальные полеты.
Компания Virgin Galactic намеревалась перевозить шесть пассажиров на своем корабле SpaceShipTwo , предоставляя клиентам несколько минут микрогравитации во время полета. Билет на SpaceShipTwo стоит 250 000 долларов, и продолжающиеся испытания корабля приближают его к готовности.
Blue Origin также совершал суборбитальные полеты на своей многоразовой ракете New Shepard. Компания надеется начать обслуживать платных клиентов в 2020 году, однако не раскрыла стоимость своих поездок, заявив лишь, что первоначально они будут составлять «сотни тысяч» долларов.
Многие ученые взволнованы перспективой использования коммерческих суборбитальных аппаратов для исследований в условиях микрогравитации .
Такие испытания обойдутся гораздо дешевле, чем отправка экспериментов и людей на Международную космическую станцию.
SpaceX уже некоторое время отправляет материалы и спутники на орбиту для оплаты клиентов. И SpaceX, и аэрокосмическая компания Boeing планируют начать доставлять астронавтов на орбиту в 2020 году. своей ракеты Фау-2. Транспортные средства были оружием, сброшенным на союзников, которые из-за их большой скорости было практически невозможно перехватить.
Ракетный ускоритель компании успешно самостоятельно приземлился на посадочную площадку — тоже впервые.Дополнительные ресурсы:
- Посмотрите орбитальную испытательную посадку Boeing Starliner в декабре 2019 года.
- Узнайте больше об основах космических полетов из NASA Science .
Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].
Адам Манн — журналист, специализирующийся на астрономии и физике. Его работы публиковались в New York Times, New Yorker, Wall Street Journal, Wired, Nature, Science и многих других изданиях. Он живет в Окленде, штат Калифорния, где любит кататься на велосипеде. Подпишитесь на него в Twitter @adamspacemann или посетите его веб-сайт https://www.adamspacemann.com/ (откроется в новой вкладке).