Учёные ВВС США помогут в разработке космического самолёта Skylon

В настоящее время космический запуск —  мероприятие зрелищное, внушительное… и одноразовое, даже несмотря на разработки SpaceX, позволяющие использовать повторно ракетные ступени. Кстати, первый повторный запуск уже использованной ступени запланирован на осень этого года. Совсем иначе выглядит проект Skylon — разрабатываемый британской компанией Reaction Engines Limited (REL) космический самолёт класса SSTO (Single Stage to Orbit), способный взлететь с обычного аэродрома, выполнить свою миссию на орбите, а затем сесть на тот же аэродром для обслуживания, осмотра, дозаправки и нового рейса. Самое сложное звено в этом проекте — двигатель SABRE.

Теплообменник системы SABRE

Дело в том, что это один из самых сложных ракетных двигателей, когда-либо разработанных человечеством, ведь он должен уметь работать в двух режимах: используя в качестве окислителя забортный воздух, а когда его становится недостаточно — переключаться на внутренние баки с жидким кислородом. И на первой стадии Skylon должен разогнаться до скорости 5,4 маха, поднявшись на высоту 26 километров. Проблема в том, что двигатель SABRE на такой скорости должен уметь очень быстро охлаждать поступающий воздух, выделяя из него жидкий кислород. Именно эта часть, высокоскоростной теплообменник, и является основным камнем преткновения в проекте.

Опытное производство и достигнутые результаты: -150 по Цельсию за 20 миллисекунд

Но на помощь REL собираются прийти научные кадры ВВС США. Научно-исследовательская лаборатория военно-воздушных сил США (AFRL) заинтересовалась проектом ещё в 2015 году и подтвердила его возможность воплощения в металле. Правда, речи о полноценной одностадийной космической системе пока не идёт. AFRL собирается представить двухступенчатую версию системы, базирующуюся на технологии SABRE либо в сентябре этого года на конференции American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA) SPACE 2016, либо в марте 2017 года на 21-ой международной конференции, посвящённой космическим самолётам и гиперзвуковым системам, которая пройдёт в Китае.

SABRE в разрезе: интересующая нас деталь обозначена «The Main Pre-cooler Heat Exchanger»

Ключевая технология SABRE, воплощением которой займётся AFRL, расположенная в штате Огайо, имеет самое прямое отношение к системе предварительного охлаждения кислорода. Для того, чтобы понять всю сложность стоящей перед инженерами AFRL проблемы, представьте, что на скорости свыше четырёх скоростей звука двигатель SABRE, забирающий воздух из атмосферы, обязан непрерывно охлаждать его с более чем 1000 градусов до минус 150 градусов Цельсия в течение одной сотой секунды. Далее кислород сжижается и поступает в двигатель, где используется в качестве окислителя. Создать такое устройство невероятно сложно: оно должно работать непрерывно, не допуская сжижения воздуха и замерзания водяных паров. Задача настолько сложна, что даже двухстадийная система запуска, планируемая AFRL, выглядит настоящим прорывом в космонавтике. 

Skylon в полёте, режим двигателей —  атмосферный

Программа AFRL носит название Durable Pre-cooling Heat Exchangers for High Mach Flight, что переводится на русский примерно как «надёжные охладители-теплообменники для гиперзвуковых полётов». Если верить заявлениям учёных, собирающихся работать над проектом, программа будет состоять из трёх фаз, последняя из которых уже может включать в себя тестовые полёты. Если эта программа увенчается успехом, то это приблизит возможность создания и полноценного одностадийного Skylon. А он очень похож на то, что мы могли видеть в культовом фильме Стэнли Кубрика «Космическая одиссея 2001 года», в той его части, где доктор Хейвуд Флойд летит на Луну транзитом через орбитальную станцию.

Согласно проекту, этот самолёт длиной 83,1 метра с размахом крыльев 26,8 метров, оснащённый двумя блоками двигателей SABRE 4 с тягой 2000 килоньютон каждый и имеющий взлётный вес 325 тонн, сможет доставлять на экваториальную орбиту высотой 160 километров до 24 пассажиров или 17 тонн груза. Для более высокой солнечно-синхронной орбиты (600 км) полезная нагрузка уменьшается до 2,8 тонны. Диаметр фюзеляжа составит 6,3 метра, полёт предполагается беспилотным, управляться аппарат будет с земли, хотя в пассажирском варианте предусмотрена должность капитана. Максимальная скорость в «самолётном режиме» — 5,14 маха, в «ракетном» — 27,8 маха, удельный импульс — 4100 секунд. Максимальный «потолок» достигнет значения 600 км.

Источники:

• Next Big Future
• 3Dnews