Повітряні старти. Чи зможе Stratolaunch зробити вантажну революцію в космосі
В кінці весни, 31 травня, в пустелі Мохаве на південно-заході Сполучених Штатів Америки відбулася урочиста викочування божевільної повітряної машини. Літак під назвою Stratolaunch Model 351 має два фюзеляжу, шість турбореактивних двигунів від Boeing 747, 28 шасі і найбільший розмах крила в історії авіації — майже на 29 м, більше нашого Ан-225 "Мрія". Призначення Stratolaunch Model 351 — запуск ракет у космос.
"Презентація літака Stratolaunch стане важливим етапом на шляху до створення зручного, надійного та звичного способу доставки вантажів на низьку навколоземну орбіту, - заявив генеральний директор компанії Stratolaunch Джин Флойд. - Це означає завершення першого етапу створення літака і початок етапу наземних і льотних випробувань".
Проект Stratolaunch створювався для запуску ракетоносіїв Pegasus XL від корпорації Orbital OTK. Цікаво, що система повітряного старту зможе запускати до трьох ракет одночасно. Максимальна злітна вага Stratolaunch Model 351 становить значні 590 т, а маса корисного навантаження - 230 т. Але далеко не весь цей вага вдасться вивести в космос: літакові двигуни погано працюють на великих висотах, так що ракета для виведення вантажів у космос все одно потрібно.
Ідея запуску космічних кораблів в космос, використовуючи літаки для розгону, далеко не нова. Багато років вона пропонувалася як спосіб істотно здешевити звичайні космічні запуски. І таким чином полегшити доступ в космос для людства.
Для повітряного старту не потрібні дорогі космодроми — достатньо придатного аеродрому. Ракету на проміжну висоту доставляє спеціальний літак-носій, після чого ракета відділяється, її двигуни запускаються і корисний вантаж виводиться на орбіту.
Історія повітряних стартів почалася з так званих "ракетних літаків". У жовтні 1947-го американський літак Bell X-1 вперше в історії авіації зміг подолати надзвуковий бар'єр. Для цього Bell X-1 оснастили ракетним двигуном, а запуск літака здійснювався з допомогою бомбардувальника B-29. Ракетний двигун дозволяв розвинути величезні швидкості, але при цьому володів величезною витратою палива. Однак якщо б такий літак стартував з землі, йому би просто не вистачило палива для досягнення сверхзвуке.
У вересні 1959-го в небо злетів літак Х-15 — перший і протягом 40 років єдиний в історії пілотований гіперзвуковий літальний апарат-літак, що здійснював суборбітальні пілотовані космічні польоти. Він стартував з-під крила стратегічного бомбардувальника Б-52. Всього по програмі Х-15 було виконано 199 польотів. Експлуатацію літака завершили у грудні 1970-го.
Радянська розробка під назвою "Спіраль" 1960-1970-х років являла собою систему з двох літаків. Один з них — гіперзвуковий розгінний, а другий — космічний орбітальний. Старт здійснювався з звичайного аеродрому, потім розгінний літак набирав висоту до 30 км і швидкість до 6М (6700 км/год). Після чого орбітальний літак разом з розгінним щаблем отсоединялся і розганявся самостійно до виходу на орбіту. Однак проект так і не вдалося здійснити.
Не вдалося реалізувати і проект повітряного старту на базі Ан-225 "Мрія". Незважаючи на амбітну назву — багатоцільова авіаційно-космічна система (МАКС), літак в космос так і не запустили.
В наш час вдалося створити кілька проектів суборбітальних літаків повітряного старту.
У травні 2003-го перший політ здійснив приватний суборбітальний космоплан SpaceShipOne. Всього апарат здійснив 17 польотів, з яких три були суборбитальными. Розробки SpaceShipOne лягли в основу проекту ексцентричного мільярдера Річарда Бренсона, розрахованого на космічних туристів. Дітище компанії Virgin Galactic — космічний корабель SpaceShipTwo, який зможе доставляти туристів у космос, використовуючи спеціально розроблений розгінний літак WhiteKnightTwo. Відділення суборбитального літака здійснюється на висоті 20 км. І хоча система SpaceShipTwo поки проходить випробувальні польоти, квитки в космос вже продаються.
Примітно, що політ триватиме близько 2,5 години, з яких безпосередньо в космосі (вважається, що межа атмосфери знаходиться на відстані 100 км від Землі) туристи проведуть лічені хвилини. Проте кількість охочих викласти $250 тис. за можливість побувати в космосі постійно зростає. Тим більше що "класичний" спосіб потрапити туристом на МКС все одно обійдеться набагато дорожче — як мінімум в $10 млн.
Ще один проект повітряного старту — американська ракета-носій Pegasus компанії Orbital Sciences Corporation. Як розгінного літака використовується спеціальна версія пасажирського авіалайнера Lockheed Martin L-1011 Stargazer. Відділення від ракети літака відбувається на висоті 12 км і швидкості близько 0,95 М (1000 км/год). У ранніх версіях ракети Pegasus для розгону використовувався літак B-52.
Перший пуск був проведений в 1990 р. За цей час вироблено 43 пуску, з них всього три невдачі і два часткових успіху. У грудні 2016-го Pegasus успішно вивела на орбіту супутники системи CYGNSS, які будуть допомагати вивчати і прогнозувати поведінку циклонів та ураганів.
Однак чи зможуть повітряні старти замінити звичайні запуски ракет з космодромів і викличе Stratolaunch вантажну революцію в космосі?
Порівняти технології можна на прикладі ракетоносія Pegasus і Minotaur, призначеного для запуску із землі. Обидві ракети виводять однакову корисну навантаження на низьку навколоземну орбіту. При цьому Pegasus важить 23 т, а Minotaur — 36 т. Крім того, за рахунок повітряного старту економиться 12,6% характеристичної швидкості. Проте ця вигода неспроможна повністю перекрити недоліки даного способу запуску ракет.
Самий головний з них — дуже погана масштабованість. Так, Pegasus вагою до 23 т виводить в космос 443 кг корисного навантаження. Однак якщо на орбіту потрібно вивести хоча б 2 т корисного вантажу, то вага ракети повинен доходити до 200 т. Це практично межа вантажопідйомності навіть для такого унікального важкоатлета, як Ан-225 "Мрія". Причому перспективи використання існуючої в єдиному екземплярі "Мрії" для повітряних стартів відсутні.
Для більш важких повітряних запусків мало створити ракету, для цього необхідний гігантський розгінний літак. Історія створення Stratolaunch почалася в 2011 р. Тоді співзасновник Microsoft Пол Аллен вирішив вкласти зароблені на створення і продаж комп'ютерних програм гроші в амбітний проект, пов'язаний з розвитком космосу. Його компаньйоном став засновник Scaled Composites Берт Рутан. Творці Stratolaunch вважають, що недалекий той день, коли висновок вантажів на орбіту літаками стане буденним явищем, адже такі польоти можна здійснювати по кілька разів в день.
Зараз Stratolaunch входить у фазу початку наземних і льотних випробувань. Літак повинен замінити застарілі B-52 і L-1011 для виведення в космос ракети Pegasus. Для ракет більшої ваги доведеться розробляти ще більш монстрообразные повітряні судна, витрати на розробку і випробування яких цілком можуть звести нанівець всі переваги від повітряного старту.
Однак вага корисного вантажу — не єдина проблема. Іншою проблемою є швидкість і висота відділення ракети. Ефективність турбореактивних двигунів знижується на великих висотах, а нові потужні гіперзвукові двигуни знаходяться поки що на стадії експериментів. Ще один недолік повітряних стартів — обмежений час між зльотом і набором висоти. Кріогенні компоненти палива і окислювача в ракетоносії постійно випаровуються, тому для тривалого польоту доведеться везти з собою додатковий запас.
Є проблеми і з корисним навантаженням. Більшість супутників розробляються виключно з урахуванням осьових перевантажень — ніякі "лежання на боці" не допускаються. На багатьох сучасні ракетоносії корисне навантаження завантажується тільки після установки ракети у вертикальне, стартове положення. Між тим розгінні літаки летять горизонтально, а значить, супутники повинні бути спроектовані з урахуванням інших навантажень. Не кажучи вже про турбулентності і повітряних ямах, які можуть виникати під час польоту.
Системи повітряного старту в перспективі можуть стати ефективним засобом доставки корисних вантажів у космос. Але сучасні технології сильно обмежують їх вагу, а отже, і застосування буде дуже обмеженим. Поки мова йде тільки про невеликих, легких супутниках. Так що революція ще не відбулася, а от еволюція йде повним ходом.
