Космические самолеты следующего поколения — это передовая эволюция мечты о космических шаттлах

Космический шаттл НАСА проработал на низкой околоземной орбите 30 лет, прежде чем был выведен из эксплуатации в 2011 году. Однако замена этого корабля космическим агентством США, «Орион», вернулась к конструкции конической капсулы, знакомой по миссиям «Аполлон». Это произошло потому, что НАСА намеревалось использовать этот новый корабль для исследования целей в глубоком космосе, таких как Луна.

Но в последние годы мы наблюдаем возвращение конструкции космического самолета. С 2010 года Космические силы США (а ранее — ВВС США) запускают на низкую околоземную орбиту роботизированный космический самолет под названием X-37B для выполнения секретных миссий. У Китая есть собственный военный космический самолет под названием Shenlong.

В этом году может состояться испытательный полет Dream Chaser компании Sierra Space — первого коммерческого космического самолета, способного совершать орбитальные полеты. Если все пойдет хорошо, корабль можно будет использовать для пополнения запасов Международной космической станции (МКС) грузом и, в конечном итоге, экипажем.

Статья по теме: Космический челнок был красивой, но ужасной идеей

Космические самолеты могут летать или планировать в атмосфере Земли и приземляться на взлетно-посадочные полосы, а не использовать парашюты для приземления в воду или на ровную землю, как капсулы. Они также становятся более маневренными, когда космический корабль снова входит в атмосферу, увеличивая площадь поверхности Земли, на которой возможна посадка из определенной точки входа.

Космические самолеты также позволяют использовать более мягкую, но более длинную траекторию полета при входе в атмосферу и более мягкую посадку, что легче для экипажа и груза, чем капсулы, которые могут приземлиться с грохотом. Взлетно-посадочная полоса также позволяет экипажам наземной поддержки и инфраструктуре быть готовыми к месту приземления.

Стоимость и сложность

Но космические самолеты сложнее и тяжелее аналогичных капсул. Крылатая форма корпуса представляет собой особую проблему для разработки систем тепловой защиты (TPS) – термостойких материалов, которые защищают корабль от палящих температур при входе в атмосферу. Эти дополнительные затраты означают, что проектировать космический самолет для одного полета непрактично. Чтобы они были жизнеспособными, их нужно использовать снова и снова.

Интерес к космическим самолетам возник с самых первых дней полета человека в космос. Проект военного космического самолета под названием Dyna-Soar был начат в США в 1957 году, но отменен сразу после начала строительства. Транспортное средство было сложным для своего времени: оно было построено с использованием металлического сплава, способного выдерживать высокие температуры, и имело спереди теплозащитный экран, который можно было снять после возвращения из космоса, чтобы пилот мог хорошо видеть во время приземления.

«Спейс шаттл», поступивший на вооружение в 1981 году, был первым действующим космическим самолетом. Предполагалось, что он будет запускаться чаще, чем раньше, и иметь большую возможность повторного использования, но оказалось, что между запусками требуется обширный ремонт. Однако он продемонстрировал способность возвращать астронавтов и крупные грузы с орбиты.

Другие космические агентства инвестировали в 1980-е и 1990-е годы в Европе — в космический самолет «Гермес» и в Японии — в аппарат «Хоуп». Обе программы были отменены во многом из-за стоимости. Советский Союз разработал собственный корабль, похожий на шаттл, под названием «Буран», который однажды успешно полетел в космос в 1988 году. Программа была отменена после распада Советского Союза.

Ощущение тепла

Космические самолеты предъявляют особые требования к заключительной части своего путешествия – по возвращении из космоса. Во время входа в атмосферу они нагреваются до более чем тысячи градусов по Цельсию, поскольку движутся с гиперзвуковой скоростью более семи километров в секунду – что более чем в 20 раз превышает скорость звука. Конструкция с тупым носом (где край космического корабля закруглен) является идеальной формой, поскольку она уменьшает накопление тепла в передней части корабля.

Несмотря на это, ожидаемая температура, которую будет испытывать корабль, все равно может достигать 1600 градусов Цельсия, что требует установки системы тепловой защиты снаружи корабля. TPS космического челнока включал в себя керамические плитки, которые были особенно термостойкими, и армированную углеродно-углеродную матрицу, способную выдерживать температуры до 2400 градусов Цельсия.

Гибель шаттла «Колумбия» при входе в атмосферу в 2003 году, повлекшая за собой гибель семи астронавтов, стала результатом нарушения ДПДЗ на передней кромке крыла. Это произошло из-за того, что во время запуска «Колумбии» кусок изоляционной пены отлетел от внешнего бака шаттла и ударился о крыло.

Эта проблема с пеной повторялась на шаттле из-за того, что он запускался со стороны внешнего топливного бака. Но новые конструкции космических самолетов будут летать на обычных ракетах, где падающая пена не будет проблемой.

Эффективная TPS остается жизненно важной для будущего успеха космических самолетов, как и системы, которые контролируют производительность TPS в режиме реального времени.

Текущие автомобили

В настоящее время существует два действующих космических самолета, один китайский и один американский, которые могут достичь орбиты. О китайском Shenlong информации мало, но более известен американский военный X-37B. Беспилотный аппарат длиной девять метров, весящий при запуске около пяти метрических тонн, запускается с помощью обычной ракеты и автономно приземляется на взлетно-посадочной полосе в конце своей миссии.

В TPS X-37B используются плитки, аналогичные шаттлу, на нижней поверхности, а на носу и передней кромке — более дешевая альтернатива армированному углеволокну под названием Tufroc, разработанная для X37B.

Вскоре к ним должен присоединиться Dream Chaser, который был разработан компанией для перевозки как грузов, так и астронавтов, но НАСА хочет доказать его безопасность, прежде чем перевозить людей, используя его сначала для доставки грузов на космическую станцию. Способность возвращать на поверхность сравнительно хрупкий груз за счет более мягкой посадки является ключевой возможностью. Плитки, защищающие Dream Chaser, изготовлены из кремнезема, и каждая имеет уникальную форму, соответствующую участку автомобиля, для защиты которого они предназначены.

Будущие разработки

Интерес к космическим самолетам сохраняется из-за их способности возвращать экипаж и груз на взлетно-посадочную полосу. Спрос на эту возможность сейчас ограничен. Но если стоимость запуска в космос продолжит падать, а расширение космической промышленности повысит спрос, они станут все более жизнеспособной альтернативой капсулам.

В более долгосрочной перспективе существует также потенциал для космических самолетов, способных выйти на орбиту после взлета с взлетно-посадочной полосы. Проблемы разработки этих одноступенчатых аппаратов для вывода на орбиту (SSTO) значительны. Однако такие концепции, как транспортное средство Skylon, ведут к техническим разработкам, которые в конечном итоге могут поддержать разработку корабля SSTO.

В обозримом будущем космические самолеты выглядят перспективно по следующим причинам: новые методы проектирования, усовершенствованные материалы для ДПДЗ, современные средства компьютерного моделирования и имитации для оптимизации различных аспектов конструкции и параметров полета, а также постоянное совершенствование двигательных установок.

Учитывая, что некоторые правительства, космические агентства и частные компании по всему миру вкладывают значительные средства в исследования и разработки космических самолетов, мы можем увидеть будущее, в котором полеты на этих кораблях станут обычным явлением.

Олувамайокун Адеторо, старший преподаватель кафедры машиностроения и аэрокосмической техники, Лондонский университет Брюнеля и Джеймс Кэмпбелл em>, читатель, Лондонский университет Брюнеля. Эта статья переиздана из The Conversation по лицензии Creative Commons. Прочтите оригинальную статью.

Смотрите также

2024-02-09 18:15