Воздушные старты. Сможет ли Stratolaunch совершить грузовую революцию в космосе

В конце весны, 31 мая, в пустыне Мохаве на юго-западе Соединенных Штатов Америки состоялась торжественная выкатка безумной воздушной машины. Самолет под названием Stratolaunch Model 351 имеет два фюзеляжа, шесть турбореактивных двигателей от Boeing 747, 28 шасси и самый большой размах крыла в истории авиации — почти на 29 м, больше нашего Ан-225 "Мрия". Предназначение Stratolaunch Model 351 — запуск ракет в космос.

"Презентация самолета Stratolaunch станет важным рубежом на пути к созданию удобного, надежного и привычного способа доставки грузов на низкую околоземную орбиту, - заявил генеральный директор компании Stratolaunch Джин Флойд. - Это означает завершение первого этапа создания самолета и начало этапа наземных и летных испытаний".

Проект Stratolaunch создавался для запуска ракетоносителей Pegasus XL от корпорации Orbital OTK. Интересно, что система воздушного старта сможет запускать до трех ракет одновременно. Максимальный взлетный вес Stratolaunch Model 351 составляет внушительные 590 т, а масса полезной нагрузки - 230 т. Но далеко не весь этот вес удастся вывести в космос: самолетные двигатели плохо работают на больших высотах, так что ракета для вывода грузов в космос все равно потребуется.

Идея запуска космических кораблей в космос, используя самолеты для разгона, далеко не нова. Многие годы она предлагалась как способ существенно удешевить обычные космические запуски. И таким образом облегчить доступ в космос для человечества.

Для воздушного старта не нужны дорогостоящие космодромы — достаточно подходящего аэродрома. Ракету на промежуточную высоту доставляет специальный самолет-носитель, после чего ракета отделяется, ее двигатели запускаются и полезный груз выводится на орбиту.

История воздушных стартов началась с так называемых "ракетных самолетов". В октябре 1947-го американский самолет Bell X-1 впервые в истории авиации смог преодолеть сверхзвуковой барьер. Для этого Bell X-1 оснастили ракетным двигателем, а запуск самолета осуществлялся с помощью бомбардировщика B-29. Ракетный двигатель позволял развить огромные скорости, но при этом обладал огромным расходом топлива. Однако если бы такой самолет стартовал с земли, ему бы попросту не хватило топлива для достижения сверхзвука.

В сентябре 1959-го в небо взмыл самолет Х-15 — первый и в течение 40 лет единственный в истории пилотируемый гиперзвуковой летательный аппарат-самолет, совершавший суборбитальные пилотируемые космические полеты. Он стартовал из-под крыла стратегического бомбардировщика Б-52. Всего по программе Х-15 было выполнено 199 полетов. Эксплуатацию самолета завершили в декабре 1970-го.

Советская разработка под названием "Спираль" 1960–1970-х годов представляла собой систему из двух самолетов. Один из них — гиперзвуковой разгонный, а второй — космический орбитальный. Старт осуществлялся с обычного аэродрома, затем разгонный самолет набирал высоту в 30 км и скорость до 6М (6700 км/ч). После чего орбитальный самолет вместе с разгонной ступенью отсоединялся и разгонялся самостоятельно до выхода на орбиту. Однако проект так и не удалось осуществить.

Не удалось реализовать и проект воздушного старта на базе Ан-225 "Мрия". Несмотря на амбициозное название — многоцелевая авиационно-космическая система (МАКС), самолет в космос так и не запустили.

В наше время удалось создать несколько проектов суборбитальных самолетов воздушного старта.

В мае 2003-го первый полет совершил частный суборбитальный космоплан SpaceShipOne. Всего аппарат совершил 17 полетов, из которых три были суборбитальными. Разработки SpaceShipOne легли в основу проекта эксцентричного миллиардера Ричарда Бренсона, рассчитанного на космических туристов. Детище компании Virgin Galactic — космический корабль SpaceShipTwo, который сможет доставлять туристов в космос, используя специально разработанный разгонный самолет WhiteKnightTwo. Отделение суборбитального самолета осуществляется на высоте 20 км. И хотя система SpaceShipTwo пока проходит испытательные полеты, билеты в космос уже продаются.

Примечательно, что полет будет длиться около 2,5 часа, из которых непосредственно в космосе (считается, что граница атмосферы находится на расстоянии 100 км от Земли) туристы проведут считанные минуты. Однако количество желающих выложить $250 тыс. за возможность побывать в космосе постоянно растет. Тем более что "классический" способ попасть туристом на МКС все равно обойдется намного дороже — как минимум в $10 млн.

Еще один проект воздушного старта — американская ракета-носитель Pegasus компании Orbital Sciences Corporation. В качестве разгонного самолета используется специальная версия пассажирского авиалайнера Lockheed Martin L-1011 Stargazer. Отделение ракеты от самолета происходит на высоте 12 км и скорости около 0,95М (1000 км/ч). В ранних версиях ракеты Pegasus для разгона использовался самолет B-52.

Первый пуск был произведен в 1990 г. За это время произведено 43 пуска, из них всего три неудачи и два частичных успеха. В декабре 2016-го Pegasus успешно вывела на орбиту спутники системы CYGNSS, которые будут помогать изучать и прогнозировать поведение циклонов и ураганов.

Однако смогут ли воздушные старты заменить обычные запуски ракет с космодромов и произведет ли Stratolaunch грузовую революцию в космосе?

Сравнить технологии можно на примере ракетоносителя Pegasus и Minotaur, предназначенного для запуска с земли. Обе ракеты выводят одинаковую полезную нагрузку на низкую околоземную орбиту. При этом Pegasus весит 23 т, а Minotaur — 36 т. Кроме того, за счет воздушного старта экономится 12,6% характеристической скорости. Однако эта выгода неспособна полностью перекрыть недостатки данного способа запуска ракет.

Самый главный из них — очень плохая масштабируемость. Так, Pegasus весом в 23 т выводит в космос 443 кг полезной нагрузки. Однако если на орбиту нужно вывести хотя бы 2 т полезного груза, то вес ракеты должен доходить до 200 т. Это практически предел грузоподъемности даже для такого уникального тяжеловеса, как Ан-225 "Мрия". Причем перспективы использования существующей в единственном экземпляре "Мрии" для воздушных стартов отсутствуют.

Для более тяжелых воздушных запусков мало создать ракету, для этого необходим гигантский разгонный самолет. История создания Stratolaunch началась в 2011 г. Тогда сооснователь Microsoft Пол Аллен решил вложить заработанные на создании и продаже компьютерных программ деньги в амбициозный проект, связанный с развитием космоса. Его компаньоном стал учредитель Scaled Composites Берт Рутан. Создатели Stratolaunch считают, что недалек тот день, когда вывод грузов на орбиту самолетами станет обыденным явлением, ведь такие полеты можно совершать по нескольку раз в день.

Сейчас Stratolaunch входит в фазу начала наземных и летных испытаний. Самолет должен заменить устаревшие B-52 и L-1011 для вывода в космос ракеты Pegasus. Для ракет большего веса придется разрабатывать еще более монстрообразные воздушные суда, затраты на разработку и испытания которых вполне могут свести на нет все преимущества от воздушного старта.

Однако вес полезного груза — не единственная проблема. Другой проблемой является скорость и высота отделения ракеты. Эффективность турбореактивных двигателей снижается на больших высотах, а новые мощные гиперзвуковые двигатели находятся пока на стадии экспериментов. Еще один недостаток воздушных стартов — ограниченное время между взлетом и набором высоты. Криогенные компоненты топлива и окислителя в ракетоносителе постоянно испаряются, поэтому для длительного полета придется везти с собой дополнительный запас.

Есть проблемы и с полезной нагрузкой. Большинство спутников разрабатываются исключительно с учетом осевых перегрузок — никакие "лежания на боку" не допускаются. На многих современные ракетоносители полезная нагрузка загружается только после установки ракеты в вертикальное, стартовое положение. Между тем разгонные самолеты летят горизонтально, а значит, спутники должны быть спроектированы с учетом других нагрузок. Не говоря уже о турбулентности и воздушных ямах, которые могут возникать во время полета.

Системы воздушного старта в перспективе могут стать эффективным средством доставки полезных грузов в космос. Но современные технологии сильно ограничивают их вес, а значит, и применение будет очень ограниченным. Пока речь идет только о небольших, легких спутниках. Так что революция еще не состоялась, а вот эволюция идет полным ходом.