Космолет что это такое
Космолёт
Космический аппарат (КА) — техническое устройство, используемое для выполнения разнообразных задач в космическом пространстве, а также проведения исследовательских и иного рода работ на поверхности различных небесных тел. Средствами доставки космических аппаратов на орбиту служат ракеты-носители или самолёты.
Космические аппараты, одной из основных задач которых является транспортировка людей или оборудования в верхней части земной атмосферы — так называемом, ближнем космосе, также называют «Космическими летательными аппаратами» (КЛА).
Области использования космических аппаратов обуславливают их разделение по следующим группам:
Также принято различать автоматические и пилотируемые космические аппараты. К пилотируемым космическим аппаратам, в частности относят все виды пилотируемых космических кораблей и орбитальных космических станций. (Несмотря на то, что современные орбитальные станции совершают свой полёт в области ближнего космоса, и формально могут называться «Космическими летательными аппаратами», в сложившейся традиции, их называют «Космическими аппаратами».)
Название «Космический летательный аппарат» иногда также используется для обозначения активных (то есть маневрирующих) искусственных спутников Земли, с целью подчёркивания их отличий от пассивных спутников. В большинстве же случаев значения терминов «Космический летательный аппарат» и «Космический аппарат» синономиничны и взаимозаменяемы.
В активно исследуемых в последнее время проектах создания гиперзвуковых летательных аппаратов часто используют ещё одно похожее название «Воздушно-космические аппараты» (ВКА), обозначая, таким образом, средства предназначенные для выполнения управляемого полёта, как в безвоздушном космическом пространстве, так и в плотной атмосфере Земли.
В 2005 году состоялось 55 запусков космических аппаратов (самих аппаратов было больше, так как за один запуск может выводится несколько аппаратов). На долю России пришлось 26 запусков. Число коммерческих запусков составило 18.
Содержание
Классификация космических аппаратов
Различают следующие классы космических аппаратов:
Космические аппараты предназначены для выполнения широчайшего спектра научных, народно-хозяйственных, военных и другого рода задач, часть из которых перечислена в следующем списке:
В силу специфики выполняемых задач космические аппараты могут оснащаться различными двигательными установками на основе ракетных двигателей, к которым относятся как традиционные реактивные двигатели, так и перспективные (солнечный парус, использующий давление солнечного света и так называемый «солнечный ветер»;ионные, ядерные, термоядерные, и т. п.).
Пилотируемый космический аппарат, космический корабль Союз, с членами экипажа МКС на борту
Орбитальный самолёт — Космолёт
Орбитальный самолёт (ОС), воздушно-космический самолёт (ВКС)-крылатый летательный аппаратсамолетной схемы, выходящий или выводимый на орбиту искусственного спутника Земли посредствомвертикального или горизонтального старта и возвращающийся с неё после выполнения целевых задач, совершая горизонтальную посадку на аэродром, активно используя при снижении подъемную силу планера.
МиГ-105.11 лётный дозвуковой аналог экспериментального пилотируемого орбитального самолёта, создававшегося в ОКБ Микояна в рамках советской программы «Спираль»
полёт ракетоплана X 15 первого в истории гиперзвукового самолёта и ВКС космоплана, совершавшего cуборбитальные пилотируемые космические полёты
посадка ОС космоплана первого МТКК Спейс шаттл
ОС космоплан второго МТКК Буран на стоянке
посадка суборбитального ВКС космоплана SpaceShipOne
Как сделать космолёт горизонтального взлёта и посадки без чудо-технологий
Ещё на заре космонавтики человечество мечтало о простом и дешёвом доступе к орбите на космических самолётах. Под космическим самолётом я подразумеваю крылатый аппарат горизонтально взлёта и посадки, без воздушных стартов, вертикальных посадок и т.п. Причина проста — космолёты по умолчанию многоразовые и в теории требуют недорогого, по сравнению с ракетами, обслуживания. Также весомым аргументом в их пользу является наличие гигантских взлётно-посадочных полос по всему миру, в то время как для ракет нужно строить инфраструктуру с нуля. Но как только конструкторы пытались спроектировать космолёт на практике у них сразу же возникало множество трудноразрешимых проблем, сильно затрудняющих выполнение задачи.
И большой, и лёгкий, и прочный
Проблемы космолёта заключались в его одноступенчатой природе и противоречивых требованиях к самолёту и ракете, что приводило к следующим решениям:
Rockwell Star-raker должен был выводить 100 тонн на НОО при полной многоразовости, т.е. это вариант BFR 1970-ых!
Чтобы подняться выше, нужно подрезать крылья
Есть, и очень простое, по-сути тоже самое давно используют ракеты — двухступенчатость. Но как сделать космолёт двухступенчатым и сохранить полную многоразовость? Здесь нам помогут два очень старых проекта 50-ых годов, один из которых не имеет прямого отношения к космонавтике, а второй имеет самое непосредственное и даже испытывает ренессанс. Это сбрасываемые консоли крыла и вертолётный подхват.
Ранний концепт сверхзвукового бомбардировщика XB-70 Valkyrie
Идея сбрасываемых консолей крыла была впервые предложена в 1955 году при разработке сверхзвукового бомбардировщика XB-70 Valkyrie для достижения межконтинентального радиуса действия. Впоследствии улучшения в аэродинамике привели к отказу от этой идеи, но для нашего гипотетического космолёта она подходит идеально. Сбрасываемую консоль можно сделать топливным баком для керосина, как это делается во всех современных самолётах, а в обтекатель по центру поместить тяговитый керосиновый ракетный двигатель, тем самым снизив размер и массу заполненного водородом и кислородом фюзеляжа. Также она будет содержать массивную стойку шасси (и тормозные колодки) для поддержки собственного веса на взлётной полосе. После того как керосиновые двигатели выполнят свою роль первой ступени, большая часть консолей отделяется от фюзеляжа, ведь для посадки почти пустого космолёта не нужна большая площадь крыла и тяжелое шасси.
Обтекатель Falcon Heavy возвращается на Землю с гиперзвуковой скоростью
Но как вернуть консоли на землю? Не сгорят ли они при входе в атмосферу? Не сгорят и уцелеют они по той же причине, по которой термостойкий лист бумаги может пережить вход в атмосферу Земли с орбитальной скорости — пустое крыло имеет высокое аэродинамическое качество и соответственно более медленно и плавно тормозит. Таким образом им не нужна теплозащита и не нужно тащить её на орбиту и обратно.
Но как осуществить плавную посадку на поверхность? Здесь существует два варианта — в первом можно попытаться посадить консоли крыла на полосу по самолётному, но тогда придется добавлять много дополнительного оборудования да и аэродрома по пути может не быть. Во втором же случае использовать другую идею из 1950-ых (креативное было десятилетие!) — вертолётный подхват.
Концепция возвращение на Землю первой ступени РН Электрон с помощью вертолёта
Недостаток у этого подхода ровно один — плохая масштабируемость, вертолет может захватить груз весом примерно в половину от своей максимальной грузоподъёмности. То есть при использовании самого большого вертолёта Ми-26 вес пустой консоли вместе с двигателем и шасси не должен превышать 10 тонн, что кажется вполне осуществимо для космолёта взлётной массой не более 1000 тонн. Вертолётов понадобится две штуки, так как консолей тоже две, но это потребует относительно небольших расходов.
Таким образом, используя эти простые и отработанные решения, можно без всяких футуристичных технологий и невероятных двигателей осуществить давнюю мечту человечества — рутинный доступ к космическому пространству.
Орбитальный самолет
Орбитальный самолет являет собой крылатый летательный аппарат, изготовленный в самолетной схеме, который может самостоятельно или с помощью дополнительных устройств выходить на орбиту земли и выполнять функции искусственного спутника. Возвращение с орбиты планеты по выполнении поставленной задачи осуществляется путем горизонтального или вертикального старта. Приземление проходит в самолетном типе. Нужно отметить, что при снижении активно используется подъемная сила планирования. Конструкция аппарата сочетает в себе конструктивные особенности космического корабля и самолета.
Орбитальный самолет представляет собой аэрокосмическую систему или же ее часть. Конструктивные особенности могут отличаться в зависимости от типа выхода на орбиту, за счет этого выделяют два основных типа: космолеты и космопланы. Нужно отметить, что космолеты и космопланы не только орбитальные аппараты, поскольку их полет может проходить ниже, чем на высоте 100 километров (граница космоса).
Космопланы
Эти аппараты представлены второй ступенью авиакосмической системы, которая выводится на орбиту. Первый реализованный проект в данном направлении – аппарат американского производства Х-15, который изготовили в 1960 году. На протяжении 20 лет это был единственный гиперзвуковой самолет. Он осуществил 15 полетов, два из которых были в космическом пространстве на высоте больше 100 километров. Соответственно, пилоты, поднявшиеся выше 100 километров, автоматически считаются космонавтами.
С 1980 по 2000 год была проведена большая программа с использованием космопланов, в состав которой был включен советский аппарат «Буран» и американский «Спейс Шаттл». В ходе работы было осуществлено множество пусков космопланов. Созданием космопланов также занимались и другие страны, а именно Франция, Япония, Индия и Германия. На современном этапе развития США продолжает разработку и испытание аппарата Boeing X-37.
Нужно отметить, что возможности космопланов открыли новый виток развития, поскольку в мире идут разработки частных космопланов, которые планируют использовать в качестве суборбитальных туристических кораблей.
Космолеты
Космолеты состоят из одноступенчатой АКС, эти аппараты за счет использования собственных силовых установок способны осуществить выход на орбиту Земли. Все же нужно отметить, что конструктивные особенности двигателя и сложность их создания еще не позволили человечеству создать настоящий космолет.
Первый проект изготовления подобной машины принадлежит немецкому конструктору Зенгеру, который планировал создать частично орбитальный бомбардировщик для нацистов.
Более реальные разработки были представлены только в 90-2000-х годах. Эти проекты должны были заполнить нишу космолетов многоразового использования. Так, в России был разработан космолет типа РАКС. США изготовили машина Venture Star, которая должна производить горизонтальную посадку и вертикальный взлет, также были проработки по созданию аппарата с горизонтальной посадкой и взлетом, который окрестили как Rockwell X-30.
На данный момент в Великобритании ведется разработка многоразового АКС-космолета компанией Reaction Engines. Программа имеет название Skylon. Особенностью аппарата «Скайлон» можно назвать возможность самостоятельно подниматься на высоту 26 километров, при этом он разгоняется до скорости 5,5 М. Только после этого аппарат переходит на питание двигателей из собственных кислородных баллонов, что и позволяет вывести космолет на орбиту.
Британская разработка может выходить в космос без использования ступеней для разгона и дополнительных ускорителей, что позволяет делать его использование более дешевым. Единственный двигатель обеспечивает весь цикл эксплуатации, начиная от рулежки по ВПП и заканчивая выводом в космическое пространство. Эксперты подтвердили, что ошибок в расчетах не обнаружено. С использованием этой машины цена на доставку грузов в космическое пространство может снизиться почти в половину, в зависимости от типа груза.
Основной задачей является изготовление качественной силовой установки, на разработку которой правительство Великобритании в 2013 году выделило 60 миллионов фунтов.
Следующей ступенью развития данного направления является создание одноступенчатых многоразовых АКС, которые будут управляться дистанционно. Нужно отметить, что эти направления уже отрабатывались в США на аппарате Х-43, а в России были спроектированы «Игла» и «Холод». Подобными проектами занимались и другие страны.
Перспективы и проблемы космопланов
Концепция аэрокосмической системы с орбитальным самолетом-космопланом имеет ряд положительных качеств и потому привлекает внимание. На протяжении нескольких десятилетий разрабатываются разнообразные проекты подобных систем, однако реальные их перспективы остаются под вопросом. К настоящему времени лишь несколько подобных проектов удалось довести до эксплуатации, а будущее всего направление остается под вопросом.
Успехи прошлого
Концепция орбитального самолета-космоплана предусматривает создание летательного аппарата, способного подниматься на орбиту самостоятельно или при помощи ракеты-носителя, а затем возвращаться на Землю за счет аэродинамического полета с горизонтальной посадкой. Такой способ полета дает определенные преимущества и потому представляет интерес для ракетно-космической отрасли.
Ведущие державы начали активные работы по этой тематике еще в пятидесятых годах прошлого века. В дальнейшем было разработано множество разнообразных аэрокосмических систем (АКС) с применением отличающихся космопланов. Некоторые из этих проектов даже доходили до натурных экспериментов с применением опытной техники.
При этом направление до сих пор остается не слишком удачным и развитым. Количество испытанных образцов значительно меньше общего числа предлагавшихся проектов, а до реальной эксплуатации дошел только один комплекс.
Самым успешным орбитальным самолетом является американский Space Shuttle. В 1981-2011 гг. такие аппараты совершили 135 полетов (2 аварии), в ходе которых доставили на орбиту и вернули на Землю сотни тонн груза и десятки астронавтов. Однако эта программа не решила задачу сокращения стоимости вывода и возврата полезной нагрузки, а также оказалась чрезмерно сложной. Кроме того, к началу десятых годов космопланы выработали свой ресурс, а строительство новых оказалось нецелесообразным.
В нашей стране работы по космопланам остановились на стадии испытаний. Так, в семидесятых и восьмидесятых была проведена обширная программа стендовых и летных испытаний аппаратов серии БОР, в т.ч. с выходом на орбиту. В 1988 г. свой единственный космический полет совершил корабль «Буран». Дальнейшие отечественные проекты не продвигались дальше самых ранних стадий.
Перспективные разработки
В начале двухтысячных годов компании The Spaceship Company и Virgin Galactic провели испытания опытного космоплана SpaceShipOne. В дальнейшем на основе этого изделия разработали новый корабль SpaceShipTwo, способный поднимать небольшие грузы к нижней границе космического пространства. Из-за таких ограничений космоплан рассматривается только как транспорт для космических туристов или в качестве платформы для некоторых исследований.
В 2018-19 гг. опытный SpaceShipTwo в двух полетах поднялся на высоту более 80 км. Новые полеты планируется провести после завершения модернизации и подготовки имеющегося корабля к коммерческой эксплуатации. Также ведется строительство двух новых космопланов «серийного облика». Как скоро SpaceShipTwo дойдет до использования в коммерческих целях – неясно. Проект уже неоднократно сталкивался с проблемой переноса сроков, и такая тенденция может сохраняться в будущем.
Более успешным и многообещающим является проект Dream Chaser от Sierra Nevada Corp. Он предлагает строительство АКС с ракетой-носителем и космопланом, способным подниматься на низкие околоземные орбиты. Dream Chaser разрабатывается, в первую очередь, для работы с Международной космической станцией; ему предстоит доставлять на орбиту и возвращать на Землю людей и грузы. Расчетная полезная нагрузка достигнет 5 т, время полета – не более нескольких часов.
К настоящему времени проведены наземные и летные испытания с использованием двух опытных космопланов. На 2022 г. запланирован первый полет с использованием штатной ракеты-носителя Vulcan Centaur. Затем состоится тестовый запуск к МКС. К концу десятилетия планируется начать полноценную эксплуатацию этой АКС с регулярными полетами с той или иной нагрузкой на борту. Насколько реалистичны такие планы – неясно. По сообщениям NASA, Sierra Nevada сталкивается с различными проблемами, которые, как минимум, затрудняют подготовку к полетам.
Испытания на орбитах
С начала двухтысячных годов перспективный космоплан разрабатывали ВВС США, DARPA, NASA и Boeing. Летные испытания изделия под названием X-37A начались в 2006 г. Затем был создан усовершенствованный аппарат X-37B, пригодный для запусков на орбиту. Проект создавался по заказу ВВС и, вероятно, имел исключительно военное предназначение. При этом точные данные такого рода до сих пор не раскрыты.
Первый орбитальный полет опытного X-37B начался в апреле 2010 г. и продолжался 224 дня – до декабря. Затем состоялось еще четыре полета, и последний продолжался более 779 суток. С мая прошлого года один из двух прототипов пребывает на орбите; дата возвращения и посадки неизвестна. Возможно, на этот раз вновь установят рекорд продолжительности полета.
По разным данным и оценкам, X-37B уже используется ВВС США для решения реальных задач. Аппарат совершает различные маневры и меняет орбиты. Сообщалось, что он сбрасывает полезную нагрузку. Таким образом, процесс отработки летно-технических возможностей может сопровождаться реальной работой в пользу армии.
В сентябре 2020 г. китайские специалисты осуществили запуск ракеты-носителя «Чанчжэн-2F» с перспективным многоразовым космическим аппаратом. Последний вышел на низкую околоземную орбиту и, вероятно, приступил к выполнению поставленных задач. Какие-либо подробности китайского проекта АКС не сообщались. Неизвестным остается даже класс выведенного аппарата.
Согласно зарубежным источникам, первый многоразовый корабль КНР по своей архитектуре и внешнему виду похож на американский X-37B и должен иметь схожие возможности. Это изделие, якобы, выполнено в виде самолета с дельтавидным крылом малого размаха и имеет массу не более 8 т. Круг решаемых задач и сферы применения неизвестны. Китай до сих пор не раскрывает подробности своего проекта.
Проблемы направления
Несмотря на все усилия, направление АКС с орбитальным самолетом пока имеет лишь ограниченные успехи. В ближайшем будущем ситуация может измениться – но сроки и результаты текущих процессов пока остаются под вопросом. К такому положению дел привел ряд характерных факторов и затруднений, с которыми приходится сталкиваться ракетно-космической отрасли.
Главная проблема космопланов заключается в сложности их создания. Конструкторам необходимо совмещать специфические особенности орбитальной техники и аэродинамического полета, учитывая характерные нагрузки на конструкцию. Для этого нередко требуется разработка новых технологий и компонентов. Соответствующим образом растет стоимость работ.
Предлагаемые проекты космопланов пока не могут составить конкуренцию ракетно-космическим системам других классов. Существующие корабли и ракеты-носители способны доставлять разную полезную нагрузку на различные орбиты – заказчик имеет возможность выбрать оптимальную систему. Космопланы предлагаемых типов пока не могут обеспечить такую гибкость применения. Для этого необходимо завершить разработку нынешних проектов и создать новые образцы с другими характеристиками.
Наконец, на перспективах направления негативно сказывается общая конъюнктура ракетно-космической отрасли. Наилучшие успехи показывают американский и китайский проекты, создаваемые по заказу вооруженных сил и при их непосредственной поддержке. Коммерческие разработчики с инициативными проектами и даже крупные организации, такие как NASA, пока не в состоянии самостоятельно обеспечить быстрое и качественное создание систем с желаемыми возможностями.
Из-за объективных ограничений и различных трудностей разработка аэрокосмических систем с космопланами пока может похвастать лишь ограниченными достижениями. Большая часть проектов такого рода ушла в историю без реальных результатов, а основная масса актуальных разработок пока не вышла из стадии испытаний. Однако интерес к этой тематике сохраняется и стимулирует продолжение работ. Можно предполагать, что в будущем ситуация станет постепенно меняться, и новые образцы орбитальных самолетов будут доведены до эксплуатации. Впрочем, аналоги старого «Спейс Шаттла» с такими же размерами и полезной нагрузкой, по всей видимости, в ближайшие годы не появятся.