Як працює гіперзвуковий космічний літак?
Сучасні пасажирські реактивні літаки літають на висоті 10 км зі швидкістю приблизно 950 км/год. Це факт. І на цій висоті небо достатньо завантажений. А нижче і вище – вільно. Пояснюється цей факт просто – на цій висоті ще достатньо кисню для роботи турбін і при цьому мінімальний опір повітря. Якщо набрати висоту – двигуни почнуть задихатися, а якщо летіти нижче – витрата палива різко збільшиться з-за опору повітря.
Ні, є ще турбогвинтові літаки. Там тягу створює не стільки реактивна струмінь, скільки пропелер. Вони використовуються на місцевих авіалініях. У таких літаків оптимальна висота – 7 км.
Ось в два поверхи всі (за рідкісним винятком) і літають. На 10 км чи не пробки, на 7 км майже порожньо. Нижче – немає взагалі практично нікого – легкі пропелерні літачки, фермерська авіація, тощо.
Ні, військові винищувачі мають стеля близько 20 км, легендарні розвідники добираються і до 26 км. На таких висотах для створення достатньої підйомної сили в розрідженому повітрі потрібно розвинути швидкість в 3 Маха (три швидкості звуку). При цьому двигуни дихають на межі можливості, а елементи корпусу від тертя повітря розігріваються вище 300°С.
Ще на аеростаті можна піднятися майже до 40 км. Але на ньому регулярні рейси не організуєш. Так, покататися. Вище – тільки супутники, але вони набагато далі. Геостаціонарні – 36 тис км, супутники GPS – 20 тис. км. Навіть МКС, яка класифікується як низкоорбитальная це – трохи вище 400 км. Бо супутникам нижче 100 км опускатися не можна – залишки атмосфери протягом декількох днів або тижнів загальмують супутник і він згорить в “щільних шарах атмосфери”, які починаються з 50-70 км
Звідси висновок. Потрібен гіперзвуковий політ, зі швидкістю польоту близько 30М (перша космічна швидкість), достатня для виходу на орбіту. Одна з останніх представлений громадськості прототипів – Skylon.
Головна проблема гіперзвукового польоту – це не опора для крил. І не нестача повітря для двигуна. Зрештою, можна побудувати великі повітрозабірники, які будуть розбивати гіперзвуковий потік на вході, збирати й подавати в двигун. Тут-то і починаються проблеми!
Газ при стисканні нагрівається. Користувалися ручним насосом? Качнешь кілька разів, а він вже гарячий. У гиперзвуковом літака при стисненні розрідженого повітря з температурою 50°С, він розігрівається приблизно до 1000°С. А реактивний двигун працює фактично за рахунок різниці температур вхідного і вихідного повітря, тому тяга падає майже до нуля. Для Skylon розробили новий тип двигуна, під назвою SABRE. Виробництво його обіцяють до 2017 року.
Такий движок працює на водні. Зріджений водень має температуру -140°С і повинен не тільки спалюватися в двигуні, але й через систему тонких трубочок повинен за 0.01 секунди охолодити вхідне повітря з 1000°С до цих самих -140°С. Тонкі трубочки – це з діаметром 0.1 мм і з товщиною стінок не менше людського волоса. Гланая проблема в цьому випадку – уникнення намерзання водяної пари. Винахідники двигуна зберігають у секреті технологію ненамерзания, але випробування прототипу двигуна пройшло – і пройшло успішно.
Такий двигун дозволяє розігнатися тільки до 5.5 М. Далі у розробників є плани побудувати варіант движка, в якому після набору висоти закриється і замість атмосферного повітря в двигун піде кисень, запасений в баках. І ось це вже і буде орбітальний літак. Він зможе самостійно злетіти з аеродрому, не втрачаючи розгінні ступені на ходу, вийти на орбіту і приземлитися як звичайний літак.
За розрахунками розробників Skylon вартість виведення кілограма вантажу на навколоземну орбіту впаде з сьогоднішніх 10-14 тис доларів майже до 500 доларів. А це вже можна порівняти з вартістю далекого рейсу на літаку – тобто доступно величезним масам людей. Ось тоді-то ми і зможемо злітати в космос на уїк-енд.
