Научиться транспортировать 400 пассажиров из Брюсселя в Сидней не более чем за 3 часа - к эдакой соблазнительной цели алчут инженеры, трудящиеся над новейшим глобальным гиперзвуковым авиалайнером.
Любопытно, что машина эта ведёт свою генеалогическую от старого проекта особой (по принципу деяния) аэрокосмической системы.
Только изобразите, как видоизменился бы мир авиаперевозок с появлением лайнера, способного одолеть без посадки 25 тысяч километров с крейсерской скоростью в 5 стремительностей звука.
Любой пассажир с весельем затратил бы всего 3 часа (даже с учётом взлёта, разбега и посадки) на полёт через половину земного шара. Ведь альтернатива - утомляющее путешествие на традиционном авиалайнере, занимающее 23 часа. Даже если бы билеты на гиперзвук стоили вдвое дражайше обычных, их вырывали бы с руками. А уж за одинаковую цену… Но мы заглядываем вперёд.
Кстати, самый дальнобойный лайнер в мире может одолеть без посадки (с 400 пассажирами на борту) 18 тысяч километров. А его мировой рекорд, установленный в особом рекламном рейсе Гонконг-Лондон - 21602 километра, которые он пронесся за 23 часа 43 минуты.
Но почти что сутки в воздухе? Простите. Это пытка. Вот полёт на быстроте 5,5-5,8 тысяч километров в час - иное дело. Именно такой станет штатская авиация, если реализует свои планы британская компания Reaction Engines, руководимая Аланом Бондом.
Компания участвует в трансъевропейском плане LAPCAT, управляемом ESA и финансируемом Евросоюзом. LAPCAT - это Long-Term Advanced Propulsion Concepts and Technologies, то есть долгосрочные концепции и технологии передовых систем привода. Проект призван разработать и оценить различные способы скоростных трансокеанских воздушных и (возможно) космических путешествий. Тут сгодятся и прямоточные гиперзвуковые двигатели, и чисто ракетные технологии.
У Reaction Engines своё видение, как решить эту задачу. В собственном проекте LAPCAT она разрабатывает 300-местный гиперзвуковой лайнер A2, о характеристиках которого мы говорили выше.
Но прежде чем подробнее рассказать о лайнере и его необычных движках, нужно вернуться немного в прошлое.
Как-то в 1950-1960-х годах американские инженеры подумали, что трудности создания гиперзвукового аэрокосмического самолёта во многом обусловлены огромным весом окислителя, который он вынужден таскать на борту (предполагалась пара жидкий кислород и жидкий водород, из которых кислород намного тяжелее).
Было очень заманчиво использовать (при полёте в атмосфере) атмосферный же воздух, но тогда выходило, что необходимо было иметь два, а то и три разных типа двигателя на машине - турбореактивный для начала полёта, реактивный прямоточный для разгона и ракетный для космоса. Это и сложно, и ненадёжно, и масса машины получается слишком велика.
Тут и придумали: надо оставить только один ракетный движок, но его кислородный бак пополнять из атмосферы, захватывая и сжижая воздух на ходу за счёт холода, запасённого в жидком водороде (топливе). Вернее - сжиженный воздух надо было тут же разделять на компоненты и кислород направлять прямо в двигатель.
В космосе движок питался бы от небольшого кислородного бака, весящего в разы меньше традиционного. Так возникла концепция LACE (двигатель с циклом на жидком воздухе).
Столь непростую систему осуществить было крайне сложно. Но здравое зерно, заложенное в ней, многим не давало покоя. И вот в 1982 году британский инженер Алан Бонд выдумал вариацию системы LACE под названием SATAN.
Никакого сжижения не нужно, но входящий в гиперзвуковой воздухозаборник и сильно нагревающийся воздух надо действительно пропускать через теплообменник, в котором курсирует жидкий водород из топливного бака, а уже потом этот холодный воздух можно сжимать в компрессоре турбореактивного движка, на что уйдёт куда меньше энергии, чем в традиционном моторе.
По такому принципу можно было сооружать и ракеты, и суборбитальные машины, и разнообразные гиперзвуковые летающие штуковины.
Примерно в этот же период компания British Aerospace, нынче вошедшая в BAE Systems, и Rolls-Royce соединили свои усилия в проекте гиперзвукового аэрокосмического самолёта HOTOL. В качестве двигателей для него Rolls-Royce предложила построить вариацию двигателя Бонда под названием RB545. Алан тут же подсоединился к этому проекту и, именно, сыграл в нём ведущую роль, запатентовав этот самый RB545.
Проект раскручивался очень бурно (была отработана конструкция двигателя, даже создавались рабочие прототипы самолётов). Будучи финансируемым правительством, он просуществовал немного лет. Но внимание правительства и, в соответствии, деньги закончились внезапно. HOTOL так и не был доведён до конца.
Бонд решил, что надо создавать аэрокосмический самолёт личными силами, но патент на двигатель имени себя к тому времени он употреблять не мог: его выкупила у Алана компания Rolls-Royce. Инженер, но, не сдался, и выдумал дальнейшее развитие этой технологии в таком виде, что он мог обойти ограничения патента.
С тем Бонд и создал свою фирму Reaction Engines, сманив в неё из Rolls-Royce инженеров Джона Скотта-Скотта и Ричарда Вэрвилла, которые ранее вместе с ним работали над RB545, будучи одними из ключевых фигур этого проекта.
В результате к настоящему времени товарищи завершили предварительную фазу проектирования уникального двухрежимного двигателя Sabre (синергический воздушно-реактивный) и орбитального космоплана Skylon.
Cейчас компания занята уточнением разнообразных технических, производственных и экономических деталей данной разработки. Более того - она выстроила стенды, где уже испытывает некоторые элементы своего мотора, в частности, теплообменник - охладитель воздуха.
Skylon - это многоразовый беспилотный аппарат с парой двигателями Sabre на концах крыльев, способный автономно выходить на околоземную. Взлетая по самолётному, Skylon инициирует разгон в атмосфере, кормясь жидким водородом и очень охлаждённым воздухом из атмосферы.
Ключевая особенность двигателя Sabre - охлаждение поступающего забортного воздуха до температуры немногочисленным выше точки кипения. При этом он всё же остаётся газом и далее страшно сжимается в турбокомпрессоре. Интересно, что остывает воздух гелием, какой предварительно охлаждается жидким водородом.
Зачем тут промежуточный теплоноситель? Циркуляция гелия в "навороченной" системе из нескольких теплообменников, компрессоров и турбин, вместе с наличием предварительной камеры сгорания, обеспечивает энергией тот самый турбокомпрессор, что поставляет воздух в генеральную камеру сгорания. Гелий же может употребляться для охлаждения частей самолёта и двигателя при полёте на гиперзвуке.
Sabre способен "дышать" забортным воздухом от нулевых высоты и скорости полёта, и вплоть до скорости в 5,5 М (скоростей звука). После чего центральное тело в его воздухозаборнике смещается вперёд, полностью закрывая входной канал, и Sabre переходит на чисто ракетный режим, питаясь жидким кислородом из бака.
Так машина достигает первой космической скорости, доставляя 12 тонн полезного груза на круговую орбиту высотой 300 километров.
Представляете - Skylon довольствуется всего одним типом движка (в количестве пары штук) во всём диапазоне режимов - от неспешного пробега по рулёжной дорожке аэродрома до орбиты и обратно!
После возвращения в атмосферу и прохождения самой горячей фазы спуска космоплан открывает воздухозаборники и вновь переходит на "воздушное дыхание", приземляясь на обычной полосе аэродрома.
Любопытен фюзеляж Skylon. Его Алан намерен выполнить из углепластика, поверх которого будет закреплена тонкая (всего 0,5 миллиметра) оболочка из керамики, усиленной, опять же, углеволокном. Эта оболочка будет воспринимать аэродинамические и тепловые нагрузки, причём её будет отделять от углепластикового фюзеляжа некий зазор, а крепиться керамика будет на упругих связях, позволяющих ей "дышать" (расширяться) во время нагрева при вхождении машины в атмосферу после космического рейса.
Алюминиевые баки будут также подвешены внутри фюзеляжа на упругих связях.
Создание Skylon потребует ещё 10 лет и кучи денег, считают британские инженеры, а потому Алан и его команда решили распространить данную технологию и на другие аппараты.
Так компания и подключилась к европейскому проекту LAPCAT, и так у Бонда с компаньонами родилась идея пассажирского глобального лайнера A2, а также - гиперзвукового турбореактивного движка для него по имени Scimitar.
Это упрощённая вариация Sabre, которой уже не требуется ракетный режим и выход в космос. Но здесь также использована идея предварительного охлаждения атмосферного воздуха до температуры, близкой к криогенной.
Это обеспечит высочайшие параметры движка по тяге, весу и экономичности и, таким образом, станет ключом к дальнему гиперзвуковому полёту.
Многослойная обшивка лайнера будет содержать систему активного охлаждения (использующую холод от баков с жидким водородом), которая не позволит ей перегреваться во время четырёхчасового полёта в атмосфере на скорости 5 махов (то есть примерно 5,5-5,8 тысячи километров в час).
Reaction Engines проанализировала массу аспектов эксплуатации такого суперлайнера, в том числе - разные варианты получения водорода для него, и пришла к выводу, что билет на борт A2 (при массовых полётах таких машин) может стоить примерно столько же, сколько сейчас стоит место в бизнес-классе в трансконтинентальном авиарейсе.
Поскольку A2 проще, чем Skylon, от которого он происходит, 300-местная машина может быть реализована в металле раньше орбитального автоматического челнока. А успех A2 принесёт британской компании средства, которые нужны для завершения проекта Skylon.
Если всё так и получится, мир обогатится сразу и гиперзвуковой трансконтинентальной пассажирской машиной, и многоразовым космическим аппаратом, способным сильно снизить стоимость выведения грузов на орбиту (кстати, Skylon британцы проектируют в расчёте на 200 полётов для каждого экземпляра и планируют эксплуатировать парк из 30 таких машин).
