В космос с экраноплана

На заре космонавтики из двух альтернативных способов запуска космических летательных аппаратов – вертикального и горизонтального старта, развитие и широкое распространение получил вертикальный. Сейчас многие возможности вертикального старта уже практически исчерпаны, и наиболее перспективным направлением становится авиационная линия горизонтального старта воздушно-космического самолета. По словам Александра Небылова, автора идеи экраноплана, генерального директора «МИПАКТ - Миллениум Холдинг», компании-резидента Фонда «Сколково», сегодня применение горизонтального старта и посадки находит поддержку в проектах суборбитальных полетов космических туристов.

Алексей Беляков, вице-президент, исполнительный директор кластера космических технологий и телекоммуникаций фонда прокомментировал деятельность компании: «Сколково поддерживает проекты, находящиеся на разных этапах жизненного цикла. Наша независимая экспертная коллегия сочла целесообразным одобрить проект МИПАКТ, направленный на создание технологий использования экраноплана при запуске и посадке космических аппаратов. Само разнообразие появляющихся сегодня вариантов выведения и возвращения с орбиты показывает, что в этой области существует определенный «кризис жанра», и мы, возможно, очень скоро увидим появление принципиально новых технически отработанных и экономически эффективных решений, позволяющих существенно снизить стоимость выхода в космос. Мы отдаем должное опыту петербургских коллег в области анализа и разработки систем управления движением и их настойчивости в продвижении идеи экранопланного старта и вполне готовы допустить, что среди новых успешных вариантов окажется и их разработка».

Каким обычно представляется нам начало полета в космос? Ракета установлена на стартовой платформе, включаются двигатели, она взлетает, отделяются отработавшие ступени и, наконец, космический корабль выведен на орбиту. Если речь идет о корабле многоразового использования, как в проекте «Спейс шаттл», то корабль, завершив свою программу, приземляется на взлетно-посадочную полосу.

Однако специалисты по космической технике не оставляют попыток создать системы запуска, в которых не только приземление, но и старт аппарата будет происходить на взлетно-посадочной полосе – так называемый «горизонтальный запуск». Чаще всего речь идет об авиационно-космических системах. Взлетает мощный самолет-разгонщик, когда он набирает достаточную высоту и скорость, от него отделяется орбитальный самолет (космолет), который совершает полет в космос, а потом возвращается. Подобные системы часто обозначают термином «воздушный старт».

Одна из важных причин, заставляющих искать такие возможности: большая свобода в выборе времени и места старта. Если мы хотим запустить спутник или космический корабль со стационарной площадки не на произвольную, а на строго заданную орбиту, это можно сделать в определенные промежуток времени («стартовое окно»), иногда довольно краткий. К тому же некоторые проекты обещают существенную экономию топлива по сравнению с обычной ракетой-носителем. В частности при полете в атмосфере в качестве окислителя можно использовать просто кислород из окружающего воздуха.

Интересно, что впервые идею горизонтального запуска выдвинул один из пионеров ракетной техники Фридрих Цандер, когда полеты в космос еще были дерзкой мечтой. В 1921 году он представил проект космического корабля, который взлетает горизонтально, летит в атмосфере с помощью жидкостных реактивных двигателей, потом поднимается в космос и отправляется к другим планетам на прямоточных двигателях. В 1924 году Цандер опубликовал этот проект в журнале «Техника и жизнь».

С 1959 года в США использовался экспериментальный самолет-ракетоплан США X-15, разработанный компанией North American Aviation. Он стартовал в воздухе с тяжелого бомбардировщика Boeing B-52, под крылом которого подвешивался, а приземлялся самостоятельно. В 13 полетах X-15 сумел подняться на высоту более 50 миль (80,5 км), что в США считается суборбитальным космическим полетом, а в двух из этих стартов пилот Джозеф Уокер поднялся на высоту более 100 км, что соответствует более строгому критерию суборбитального космического полета, используемому ФАИ.

В середине 60-х советские конструкторы разрабатывали проект «Спираль». Руководил проектом Г. Е. Лозино-Лозинский, будущий создатель «Бурана». Проект предусматривал запуск мощного самолета, способного разгоняться до шестикратной скорости звука. В воздухе на высоте около 30 км с него должен был стартовать пилотируемый орбитальный самолет. При работе над проектом спираль было создано несколько аппаратов БОР (беспилотный орбитальный ракетоплан) – уменьшенных прообразов будущего пилотируемого орбитального самолета. Они даже побывали в космосе, будучи запущены при помощи обычной, «вертикальной» ракеты-носителя. Еще одна разработка – дозвуковой самолет МиГ-105 – проходила испытания, в том числе и при запуске в воздухе с самолета-носителя Ту-95. Однако в 1973 году проект был прекращен.

Другой проект, которым также руководил Г. Е. Лозино-Лозинский, назывался МАКС («Многоразовая авиационно-космическая система»). В нем стартовый самолет предполагалось создать на основе турбореактивного грузового самолета Ан-225 «Мрия», способного нести полезную нагрузку до 250 000 кг. Эти разработки в конце концов были использованы в космической программе «Энергия – Буран», где всё-таки не был осуществлен горизонтальный старт.

В Германии в 1961–1974 годах существовал сходный с советской «Спиралью» проект «Зенгер», а в начале 1990-х он пережил возрождение как «Зенгер-2». Он также имел горизонтальный взлет и посадку, предусматривал отделение орбитального самолета на высоте около 30 км. Планировалось, что в орбитальным самолете HORUS (Hypersonic ORbital Upper Stage, «гиперзвуковая орбитальная верхняя ступень») смогут лететь до 6 астронавтов, а его грузовой отсек вмещает 2–4 тонны. Однако Европейское космическое агентство предпочло ему ракету-носитель «Ариан-5».

Свой проект космических аппаратов горизонтального запуска имелся и в Великобритании. Он назывался HOTOL (Horizontal Take-Off and Landing «горизонтальный взлет и посадка») и разрабатывался в 1980-х.

В США был даже амбициозный проект NASP (National Aero-Space Plane) по созданию одноступенчатого космолета X-30. Самолет должен был самостоятельно, без помощи самолета-разгонщика, взлетать, достигать околоземной орбиты и возвращаться на Землю. Сейчас этот проект приостановлен. Аналогичный британский проект разрабатывается и сейчас. Он назван Skylon и является продолжением проекта HOTOL.

Успешно действует сейчас в США трехступенчатая система с воздушным стартом. Она состоит из самолета Lockheed L-1011 TriStar, стартующей с него ракеты-носителя «Пегас», которая в свою очередь выводит на орбиту искусственные спутники. С 1990 года на счету «Пегасов» уже более трех десятков удачных запусков.

Свои проекты многоразовых космических аппаратов с горизонтальным взлетом и посадкой сейчас разрабатывают и страны Азии. В Китае это «Шэньлун», а в Индии – в AVATAR (Aerobic Vehicle for Hypersonic Aerospace TrAnspoRtation).

Первые в истории космические полеты, осуществленные частной компанией, также проводились с использованием самолета-разгонщика. Корабль SpaceShipOne, совершивший осенью 2004 года три суборбитальных космических полета, отделялся в воздухе от самолета White Knight («Белый рыцарь»). Для усовершенствованного корабля SpaceShipTwo создан самолет White Knight Two, сейчас авиакосмическая система из этих двух аппаратов проходит тестовые полеты на аэродроме в пустыне Мохаве.

Интересный проект горизонтального запуска орбитального самолета предлагает ЗАО «МИПАКТ – Миллениум Холдинг», созданное в Международном институте передовых аэрокосмических технологий (МИПАКТ) Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения (ГУАП) совместно с индийской компанией Millennium Aerodynamics Private Limited. В основе лежит идея использовать в качестве самолета-разгонщика экраноплана, предложенная в 1995 году профессором ГУАП Александром Небыловым.

Здесь необходимо сделать отступление и рассказать, что такое экранопланы. Когда еще в 1920-е годы начали проектировать самолеты-монопланы с крыльями, закрепленными в нижней части фюзеляжа, скоро заметили неожиданное явление. При посадке, когда самолет уже вот-вот должен был коснуться земли, вдруг увеличивалась подъемная сила крыла, и он продолжал лететь. Выяснилось, что аппарат поддерживается в полете благодаря сжатию и уплотнению воздуха под крылом. Данное явление назвали экранным эффектом. Первая статья, посвященная описанию этого эффекта, была опубликована в 1922 году Борисом Юрьевым («Влияние земли на аэродинамические свойства крыла»). Экранный эффект усиливается с увеличением ширины крыла и с уменьшением высоты полета.

На практике сначала экранный эффект приносил вред авиации, приводя к авариям при посадке. Но конструкторы довольно быстро стали пытаться его использовать. Ведь он позволял ставить на летательный куда менее мощный двигатель, но, тем не менее, получать значительную грузоподъемность. Но всё это, конечно, при низкой высоте полета, где эффект проявляется. Поэтому главной областью применения экранопланов стали полеты над тундрой, пустыней и конечно же над морем, то есть там, где нет значимых неровностей рельефа, мешающих полету на высоте 10 метров и менее. Позднее стали различать экранопланы и экранолеты – аппараты, способные летать и в экранном режиме, и на больших высотах, в которых экранный эффект используется при взлете и посадке.

В СССР главным центром проектирования экранопланов стало Центральное Конструкторское Бюро по судам на подводных крыльях в Горьком, которое возглавлял Ростислав Алексеев. Одним из первых был создан экспериментальный экраноплан КМ («Корабль-макет»), летавший на высотах 4-14 метров над Каспийским морем. Взлетная масса аппарата составляла 540 тонн, а крейсерская скорость – 430 км/ч. Затем были созданы летательные аппараты военного назначения: десантный экранолет «Орленок», и экраноплан-ракетоносец «Лунь». Потом появились малый экраноплан «Стриж», амфибийный катер-экраноплан «Волга-2». Был разработан проект экраноплана «Спасатель» на основе ракетоносца «Лунь».

Над летательными аппаратами с экранным эффектом работал и авиаконструктор Роберт Бартини. В 1972–1976 годах его самолет ВВА-14 проходил испытания в Таганрогском заливе.

В 1998 году в омском ПО «Полет» был построен экраноплан «Иволга», конструкции В. Колганова. В 2001–2011 годах в России создавались экранопланы «Амфистар» и «Акваглайд». Над проектами экранопланов работает ряд конструкторских бюро России. За рубежом существовал проект экраноплана компании «Боинг» (Boeing Pelican ULTRA). О своих планах по созданию экранопланов заявляли конструкторы Китая и Южной Кореи.

Космическое использование экраноплана, предложенное А.В. Небыловым и «МИПАКТ – Миллениум Холдинг», заключается в запуске с поверхности моря – самой подходящей для экранопланов стихии. Расчеты показывают, что экраноплан с собственной массой 1600 тонн способен поднимать орбитальный самолет с начальной массой в 500 т и посадочной массой 60 тонн. Малый орбитальный самолет с 350 кг полезной нагрузки может быть запущен из экраноплана массой 400 тонн.

Экраноплан может доставить орбитальный самолет в нужную точку старта, которая может находиться далеко от населенных пунктов и быть оптимальной для выведения аппарата на выбранную орбиту. Полет над морем позволит решить еще и проблему взлетной полосы, ведь на земле не всякий аэродром подойдет для взлета тяжелого самолета-разгонщика.

Также предлагается использовать экраноплан и в качестве посадочной площадки для возвращающегося из космоса орбитального самолета. При этом приземление должно осуществляться на летящий над поверхностью моря экраноплан.

Доктор технических наук, генеральный директор «МИПАКТ – Миллениум Холдинг» Александр Небылов прокомментировал нынешнее состояние разработок компании: «Мы пытаемся постепенно решать необходимые задачи, создавая и проектируя отдельные системы, которые нужны будут и для орбитального самолета, и для экраноплана. Одна из таких задач – создание точных и надежных датчиков для малых дистанций, например, для измерения малых высот экраноплана над взволнованным морем.

Интегрированный вариант запуска воздушно-космического самолета с использованием экраноплана трудно реализовать, поскольку оба эти компонента пока еще в проекте, а не в металле. Воздушно-космический самолет сложно построить, так как пока отсутствует двигатель, который хорошо работает во всем диапазоне скоростей, от дозвуковых до космических.

Тяжелый экраноплан, который нужен, тоже пока только в проекте, и конкретной разработки, которая позволила бы проверить все эти экспериментальные и теоретические результаты на практике, пока нет. Нет полной ясности и с возможностью многофункционального использования большого экраноплана, что важно для инвесторов. В связи с этим проект труднореализуем и, насколько я знаю, Российское космическое агентство пока не имеет возможности его поддерживать. Попытки привлечь внимание государства к этому проекту пока не увенчались успехом, хотя зарубежные коллеги высоко его оценивают и считают, что это очень перспективное направление.

Но, конечно, у государства есть более неотложные задачи, которые требуют бюджетных вложений. И вообще, скорее всего, это должен быть международный проект, если бы его удалось так оформить, было бы больше пользы для всех.

Задача создания орбитального самолета с горизонтальным стартом носит характер мирового, цивилизационного значения, ведь это решило бы очень многие проблемы, но тут есть и большие сложности.

Одна из основных сложностей – это отсутствие двигателя, который работает хорошо и на малых скоростях, и на космических скоростях (порядка 33 скоростей звука). Эту задачу нужно решать постепенно, и мы этим занимаемся, создаем системы, которые будут использоваться и на самолете космическом, и на экраноплане. Это разные системы, поскольку условия работы этих двух аппаратов совершенно разные.

Авиационная скорость экраноплана позволит придать орбитальному самолету необходимую начальную скорость, при которой его гиперзвуковое крыло сможет создать необходимую подъемную силу для подъема.

То есть гиперзвуковое крыло предназначено для работы на очень высоких скоростях, и приблизиться к этим скоростям позволит экраноплан, который дает начальный импульс, после этого начинает работать гиперзвуковое крыло самолета, и он может лететь сам. То есть экраноплан может выступать в качестве разгонщика.

Экраноплан может иметь грузоподъемность, большую чем любой самолет, что позволит запускать космический аппарат с требуемой массой. Криогенные установки для заправки космического самолета сжиженным водородом непосредственно перед стартом также уместятся на экраноплане

Кроме того, очень важна посадка на экраноплан. Это позволит обойтись без тяжелого колесного шасси и повысит полезную нагрузку орбитального самолета. То есть можно организовать посадку не как на аэродроме, а фактически выполнить стыковку: сближаются два аппарата, уравнивается их скорость, они стыкуются друг с другом. Фактически все механизмы для стыковки находятся на экраноплане, а не на воздушно-космическом самолете. Отказ от колесного шасси позволит увеличить полезную нагрузку, к примеру, на 30%.

Неудивительно, что в разных странах подобные проекты существуют, поскольку многие понимают, что перспективы за горизонтальным стартом. В свое время эти два направления – вертикальный старт и горизонтальный старт – разрабатывались одновременно как в СССР в начале космической эры, так и в других странах.

В итоге удалось раньше обеспечить решение проблемы с помощью вертикального старта, в том числе и благодаря предпочтениям военных, поскольку можно было осуществлять запуски из шахты. Горизонтальный запуск, поскольку он был открытый, военные не очень-то любили. В итоге остался только вертикальный старт, а горизонтальный постепенно прикрыли. Однако сейчас многие возможности вертикального старта уже практически исчерпаны, и нужно постепенно снова возрождать авиационную линию горизонтального старта воздушно-космического самолета. Начинать можно с создания относительно легких демонстраторов (об этом думал и говорил легендарный Г.Е. Лозино-Лозинский). В последние годы ощутима и поддержка горизонтального старта и посадки в проектах суборбитальных полетов космических туристов».