Константин Феоктистов - Траектория жизни. Между вчера и завтра
Маршевый двигатель ракеты должен иметь достаточно оптимальную высотную характеристику, с тем чтобы на каждой высоте полета иметь максимальный удельный импульс.
Схема полета ракеты также должна быть наиболее оптимальной, требующей, с одной стороны, минимума топлива для выведения ракеты на орбиту, а с другой не требующая топлива для схода ракеты с орбиты, возвращения на космодром и, соответственно, не требующая установки тормозного или корректирующего двигателя.
Для осуществления полета, возвращения, посадки и подготовки к полету желательно привлекать минимальное количество специалистов. Этого можно добиться за счет использования достаточно мощного бортового вычислительного комплекса, обеспечивающего контроль и диагностику конструкции и оборудования ракеты, автономного и автоматического при необходимости переключения на резервные приборы и элементы оборудования, автоматическую диагностику при подготовке ракеты к запуску и при испытаниях корабля.
На самой ракете не должно быть экипажа, чтобы не тратить массы на самих пилотов, систему аварийного спасения, средства управления и на обеспечение их жизнедеятельности. При использовании ракеты для выведения пилотируемых кораблей система аварийного спасения, средства ручного управления и сам экипаж будут входить в массу корабля.
Конструкция ракеты должна иметь высокую степень совершенства, с тем чтобы масса полезного груза составляла не менее 3–4 процентов от стартовой массы ракеты.
Возникает вопрос: а можно ли выполнить столь жесткие требования? Думаю, что это нелегко, но возможно, если ясно видеть цель и подчинять ей работу по созданию машины.
Сегодня представляются наиболее целесообразными три схемы многоразовых одноступенчатых ракет: с вертикальным взлетом и с вертикальной посадкой (чисто ракетная схема); с вертикальным взлетом и с самолетной посадкой (так сказать «крылатая ракета»); с горизонтальным взлетом и с самолетной посадкой (типа рассматривавшегося в семидесятые-восьмидесятые годы английского проекта «Хотолл»).
Последнюю схему можно назвать революционной. Ее идея исходит из желания преодолеть основной недостаток современных ракет: в баках ракеты размещается не только горючее, но и окислитель (и его приходится тоже разгонять), хотя часть полета проходит в плотных слоях атмосферы, где кислорода вполне достаточно и его вроде бы логично использовать. До последнего времени всерьез в этом направлении не работали. И это не случайно: для использования кислорода на ракете, помимо жидкостных ракетных двигателей (большая часть полета все же проходит вне плотных слоев атмосферы), нужно устанавливать воздушно-реактивные двигатели. А они гораздо тяжелее жидкостных ракетных двигателей с той же тягой. Сейчас представляется возможным создание воздушно-реактивных двигателей, работающих до скорости порядка 1500–1700 метров в секунду, что могло бы дать существенный выигрыш в массе носителя, если бы удалось создать достаточно легкий комбинированный двигатель, который на взлете и в плотных слоях атмосферы работал бы в режиме воздушно-реактивного двигателя, а далее в режиме жидкостного реактивного двигателя.
Эти идеи и легли в основу английского проекта многоразового воздушно-космического самолета «Хотолл». Предполагалось, что этот самолет взлетает с аэродрома при скорости около шестисот километров в секунду с помощью специальной стартовой тележки-шасси, остающейся на земле, и затем совершает разгон до высоты около 25 километров при работе двигателя с забором кислорода из атмосферы. К этому моменту он должен был набирать скорость около 1600 метров в секунду.
В современной авиации самолеты с воздушно-реактивными двигателями (ВРД) развивают скорость примерно до 600–800 метров в секунду. Увеличить скорость аппарата с воздушно-реактивным двигателем можно только за счет увеличения скорости истечения струи газов из сопла двигателя, а этого можно добиться практически только за счет повышения давления в камере сгорания. Но повышение давления в ВРД можно обеспечить за счет повышения мощности компрессора на входе в двигатель, а следовательно, за счет увеличения мощности, затрачиваемой на его работу: круг замыкается.
Идея двигателя в проекте «Хотолл» заключалась в том, чтобы на сжатие воздуха перед его подачей в камеру сгорания тратить существенно меньше мощности, чем в обычном ВРД, за счет предварительного сжижения воздуха (путем охлаждения). Охлаждать воздух в двигателе «Хотолла» предполагалось в радиаторе за счет теплового обмена между воздухом и жидким водородом. После сжатия уже жидкого воздуха с помощью насосов (а работа сжатия жидкости значительно меньше работы сжатия газа) он вместе с горючим (водородом, сжатым до высокого давления еще в жидком состоянии) должен был подаваться в камеру сгорания. Такая схема и позволяла авторам проекта двигателя «Хотолла» рассчитывать на получение скорости истечения до величин порядка 1500–1600 метров в секунду и обеспечивать его использование в режиме ВРД до такой же скорости полета.
Далее полет должен был совершаться с использованием бортовых запасов кислорода. В качестве горючего на обоих участках полета предполагалось использовать жидкий водород. По проекту, при стартовой массе порядка 260 тонн, «Хотолл» должен был бы выводить на орбиту полезный груз весом около семи тонн, а затем возвращаться на Землю. Судя по сообщениям печати, работа над проектом прекращена: нет финансирования. О реальности проекта судить трудно, так как она определялась возможностью создания относительно легкого комбинированного двигателя, способного работать и в режиме воздушно-реактивного, и в режиме жидкостного реактивного двигателя, об устройстве которого практически никаких материалов не было опубликовано. Разработку двигателя вела известная английская фирма «Роллс-Ройс», известная отнюдь не только своими автомобилями, но и первыми эффективными и надежными воздушно-реактивными двигателями, что внушало определенное доверие к проекту.
Ограничение возможности работы двигателя «Хотолла» в режиме ВРД (в котором не нужно тратить бортовые запасы кислорода) до скорости 1600 метров в секунду связано с тем, что в камеру сгорания шел не только кислород воздуха, но и азот, являвшийся балластом в тепловом процессе. Можно поднять эффективность идеи «Хотолла», если охлаждать жидкий воздух до такой температуры, чтобы можно было отделять кислород от азота, а сжимать и подавать в камеру только кислород. Тогда можно было бы поднять скорость истечения струи продуктов сгорания до величины 4000–4600 метров в секунду, что позволило бы использовать двигатель в режиме ВРД до примерно такой же скорости полета. Трудности такого повышения эффективности связаны с необходимостью осуществлять сепарирование кислорода и азота в газожидкостной смеси, движущейся в двигателе с высокой скоростью, с дополнительными затратами энергии и, скорее всего, с необходимостью использования высокопроизводительной холодильной установки на борту ракеты. Трудности могут оказаться серьезными и скажутся в первую очередь на массе самого двигателя. Можно ли сделать такой двигатель эффективным? Но такое направление работ стоило бы исследовать как можно серьезнее.
