Aviācijas nākamais lielais lēciens

Neskatoties uz to, ka tā ir visprogresīvākā nozare, kosmosa nozare ir stagnējusi gadu desmitiem. Komerciālajos un militārajos lidojumos joprojām dominē tādi paši reaktīvo lidmašīnu veidi, kas tika nodoti ekspluatācijā pagājušā gadsimta sešdesmitajos gados. Amerikas Savienotajās Valstīs nav bijusi nozīmīga jauna raķešu dzinēju programma kopš kosmosa kuģa galvenā dzinēja izstrādes pirms 20 gadiem. Nekas par Boeing 777 nesamulsinātu Eizenhauera laikmeta lidmašīnu konstruktorus.

Tomēr šodien uzticamu, atkārtoti lietojamu raķešu dzinēju pieejamība varētu padarīt iespējamu nākamo nozīmīgo soli kosmosa transportā: raķešu lidmašīnu. Raķešu lidmašīnas apvieno raķešu piedziņu ar aviāciju, ļaujot lidmašīnām, kas paceļas un nolaižas no tradicionālajām lidostām, lidot uz augšu un no atmosfēras. Raķešu lidmašīnas samazinās satelīta palaišanas izmaksas, paātrinās paku piegādi un galu galā nodrošinās cilvēkiem iespēju stundas laikā pārvietoties no vienas pasaules malas uz otru. Lai arī šis redzējums varētu šķist tāls, tehnoloģija ir pa rokai.

Raķešu lidmašīnas ideja nav jauna. Pirmā šāda lidmašīna — vācu Heinkel He-176 — lidoja 1939. gadā. Tieši ar raķešu dzinēju X-1 Čaks Jēgers pirmo reizi pārrāva skaņas barjeru pirms 50 gadiem pagājušā gada oktobrī. Astoņdesmitajos un deviņdesmito gadu sākumā NASA un ASV Aizsardzības departaments sadarbojās Nacionālajā aviācijas lidmašīnu projektā — centieni, kas kopš tā laika tika atcelti, izstrādāt tehnoloģijas, kas padarītu iespējamu transportlīdzekli, kas paceltos kā parasts lidaparāts, paātrinātu orbītā ap to. zemi, pēc tam atgriezieties caur atmosfēru, lai veiktu nosēšanos uz skrejceļa.

Taču jaunākie sasniegumi tehnoloģiju jomā — no efektīvākām raķetēm līdz uzticamākiem un izturīgākiem termiskiem vairogiem — raķešu lidmašīnu ir pietuvinājuši praktiskajai realitātei. Tajā pašā laikā pieaug pakalpojumu tirgus, ko šāds transportlīdzeklis varētu piedāvāt. Nepieciešamība ekonomiski palaist satelītus var būt pirmais stimuls raķešu lidmašīnas izstrādei. Tomēr nākotnē šo hiperskaņas transportlīdzekļu galvenā ikdienas izmantošana var būt saistīta ar pasažieru un vērtīgu paku piegādi visā pasaulē.
Nav noslēpums, kāpēc lidmašīnu dizaineriem ir vajadzīgs tik ilgs laiks, lai pieņemtu raķešu dzinēju tehnoloģiju. Pirmkārt, raķetes ir neefektīvas, patērējot degvielu septiņas reizes ātrāk nekā turboreaktīvai ar pilnu jaudu. Un, lai gan reaktīvais dzinējs elpo gaisu no atmosfēras, lai sadedzinātu savu degvielu, raķetes ir paredzētas darbam kosmosa vakuumā, un tāpēc tām ir jāpārvadā ne tikai degviela, bet arī oksidētājs — parasti šķidrā skābekļa veidā. Šī prasība uzliek raķetei lielāku svara slodzi nekā reaktīvai.

Otrkārt, raķetes parasti nav izrādījušās tik uzticamas kā gāzes turbīnu dzinēji. Šī neuzticamība daļēji izriet no tā, ka šie dzinēji darbojas ārkārtīgi augstā temperatūrā. Turklāt gaisa kuģu dizaineriem un inženieriem ir salīdzinoši maza pieredze ar raķetēm, salīdzinot ar viņu miljardiem stundu pieredzi ar reaktīvo dzinējiem.

Bet raķetēm ir dažas kompensējošas priekšrocības. Lai gan tie sūc degvielu, tie sver tikai daļu no tā, ko dara gāzes turbīnas. Labākie pašlaik izstrādes stadijā esošie reaktīvie dzinēji rada aptuveni 9 reizes lielāku vilci nekā dzinēja svars. Turpretim pat ļoti smags raķešu dzinējs rada vilces un svara attiecību 50. Turklāt ar pašreizējām tehnoloģijām tikai raķete var sasniegt Mach 25 ātrumu, kas nepieciešams, lai pārvarētu gravitācijas vilci un iekļūtu zemes orbītā. (1. mahs ir skaņas ātrums gaisā — aptuveni 740 jūdzes stundā jeb 1200 kilometri stundā.) Pat visstraujāk elpojošais reaktīvais dzinējs svārstās tikai ar aptuveni 4 Mach.

Nokļūšana līdz mežonīgajai melnajai vietai

Komerciāli veiksmīgas raķešu lidmašīnas būs atkarīgas no divu galveno tehnoloģiju izstrādes: uzticama, atkārtoti lietojama raķešu dzinēja un izturīgas termiskās aizsardzības sistēmas, lai novērstu bojājumus atkārtotas ieiešanas laikā. Abos gadījumos ir pieejami uzlaboti risinājumi.

ASV pētnieki ir koncentrējušies uz komponentu tehnoloģiju un progresīvu materiālu uzlabošanu, nevis uz faktisku raķešu dzinēju produktu ražošanu. Tomēr bijušajā Padomju Savienībā pētnieki ir turpinājuši attīstīt raķešu dzinēju saimes. Jo īpaši padomju kosmosa kuģu programma radīja jaunas paaudzes progresīvus atkārtoti lietojamus raķešu dzinējus, kas darbināmi ar petroleju (tas ir, parasto reaktīvo degvielu), ūdeņradi vai abu kombināciju. Piemēram, atkārtoti lietojamais RD-120, petrolejas dedzināšanas dzinējs, kas izstrādāts kā Zenit pastiprinātāja augšējās pakāpes dzinējs, ir sertificējis tā ASV importētājs Pratt un Whitney kā derīgu 10 lidojumiem un vēl 10 pēc kapitālā remonta.

Aviācijas un kosmosa inženieri arī atzīst, ka kosmosa kuģa termiskās aizsardzības sistēma nav piemērota patiesi izturīgam transportlīdzeklim. Lai gan atspole ir atkārtoti lietojama, tā siltuma vairogs ir viegli sabojājams. Turklāt parastie laikapstākļi, piemēram, lietus un vēja radīti putekļi, sabojā siltuma vairogu. Pēc katras nosēšanās atspole jāveic dārga un laikietilpīga atjaunošana, izmantojot toksiskas ķīmiskas vielas un īpašas procedūras, lai aizstātu pazaudētās un bojātās flīzes, lai kosmosa kuģis varētu droši pacelties orbītā.

NASA centieni novērst šīs problēmas ir devuši iespaidīgus rezultātus. Dizaineriem ir daudz plašāks flīžu, segu, metāla virsmu, kā arī modernu kompozītmateriālu un keramikas klāsts, un tas viss var radīt jaunas paaudzes raķešu lidmašīnas, kas spēj izturēt vēju un laikapstākļus, kas dažu minūšu laikā noņems no kuģa siltuma vairogu. Viens no jaunajiem materiāliem — NASA Eimsas pētniecības centra izstrādātā AETB-TUFI-C termoaizsardzības flīze — ir izturējusi bez bojājumiem testa lidojumā ar F-15. Šis rezultāts bija vēl jo ievērojamāks, jo iznīcinātājs lidoja cauri lietus vētrai, kas notīrīja krāsu no tā virsmas.

Šādi sasniegumi ir nostiprinājuši izredzes izveidot atkārtoti lietojamu raķešu lidmašīnu. Bet citi dizaina jautājumi paliek, pirms šāda amatniecība kļūst praktiska. Pirmkārt, lai izmantotu esošās lidostas infrastruktūras triljonus dolāru, raķetei ir jāspēj pacelties un nolaisties parastā, horizontālā veidā.

Turklāt raķešu dzinējs vislabāk darbojas kosmosa vakuumā; jo blīvāks gaiss, jo vairāk degvielas jāsadedzina raķetei, lai attīstītu tādu pašu vilces spēku. Atmosfēras biezā gaisa zupa arī uzliek pretestības sodu, liekot raķetei izšķērdēt milzīgu daudzumu degvielas. Tādējādi ar raķešu dzinēju darbināmam lidaparātam ir vajadzīgs kāds cits dzinējspēks, lai to paceltu no zemes uz atmosfēras augšējo daļu; Sasniedzot atmosfēras robežas, raķete varēja aizdegties un virzīt kuģi kosmosā.

Aeronavigācijas inženieri ir izstrādājuši trīs galvenās shēmas, lai to paveiktu. Vienā raķete ir piestiprināta pie reaktīvās lidmašīnas vēdera, kas paceļas un lido lielā augstumā. Pēc tam raķete nokrīt, lai pabeigtu lidojumu. Čaks Jēgers izmantoja šo paņēmienu 1947. gadā, lai sasniegtu pirmo cilvēka ceļojumu virsskaņas ātrumā.

Šīs pieejas modernajā variantā reaktīvais lidmašīnas raķešu lidmašīnu velk lielā augstumā ar saiti, līdzīgi kā parastās lidmašīnas palaiž planierus. Šī shēma tiek izstrādāta uzņēmumā Kelly Space and Technology Sanbernardino, Kalifornijā. Kelly’s Eclipse lidmašīnu velk ar Boeing 747 aptuveni 14 kilometru augstumā. Tur Eclipse izšauj savu raķešu dzinēju, atvienojas no vilkšanas līnijas un paceļas līdz aptuveni 150 kilometriem. Pēc tam Eclipse slīd uz bezdzinēja nosēšanos.

Šo divu paņēmienu priekšrocība ir tāda, ka pašai raķešu lidmašīnai ir nepieciešams tikai viens dzinējs - raķete. No otras puses, jebkuram transportlīdzeklim, kura palaišana ir atkarīga no cita gaisa kuģa, ir nopietns trūkums. Ja raķete nolaižas, piemēram, nepareizā vietā, tai būs jāgaida pārvadājošas vai velkošās lidmašīnas ierašanās, lai tā varētu atkal pacelties gaisā. Turklāt, lai paceltos šādā tandēma konfigurācijā, būtu nepieciešami garāki un platāki skrejceļi nekā esošajās lidostās. Turklāt, ja raķetes dzinējs neiedegas pēc atvienošanas no nesējlidmašīnas, raķešu lidmašīna, iespējams, tiktu pazaudēta.

Mūsu uzņēmums Pioneer Rocketplane dod priekšroku citai palaišanas palīdzības shēmai. Pieejot Pioneer, Pathfinder lidmašīna paceltos parastā veidā un ar parasto turboventilatoru reaktīvo dzinēju jaudu paceltos līdz deviņiem kilometriem. Tur tas satiktos ar lielu zemskaņas lidmašīnu, piemēram, KC-135 transportu vai Boeing 747, kas kalpotu kā lidojošs tankkuģis. Lai sagatavotos otrajai lidojuma fāzei, raķešu lidmašīna pieslēgtos šim tankkuģim un no tā izsūktu aptuveni 290 000 kilogramu šķidrā skābekļa. Šāda pārsūtīšana ir izplatīta prakse militārajā aviācijā, lai gan kustinātā degviela ir reaktīvo dzinēju degviela, nevis šķidrais skābeklis.

Pēc atvienošanas no tankkuģa lidmašīna iedegtu savu raķetes dzinēju un paceltos līdz 150 kilometriem, sasniedzot ātrumu 12 Mach. Pēc tam raķete lidotu virs atmosfēras attālākajiem nomalēm, un šajā laikā pie nelielas raķetes augšdaļas piestiprināts satelīts. posmu varētu izlaist pārvietošanai uz orbītu. Pēc tam lidmašīna nolaidīsies atpakaļ atmosfērā. Pēc palēnināšanas līdz zemskaņas ātrumam turboventilatora dzinēji tika restartēti, virzot lidmašīnu uz nosēšanās lauku. Tā kā Pioneer raķešu lidmašīna varētu pacelties no jebkura vidēja izmēra lidlauka, tā nodrošinātu lielu elastību palaišanas vietas un pārtraukšanas iespēju izvēlē.

Braukšana ar raķešu lidmašīnu priekam un peļņai

Pirmā lieta, kas daudziem ienāk prātā, domājot par raķešu lidmašīnām, ir ātras personīgās ceļošanas iespējas. Lai gan šī iespēja pastāv, citas lietojumprogrammas sola vienmērīgāku ieņēmumu plūsmu un, iespējams, vispirms attīstīsies.

satelītu palaišana: neskatoties uz veselīgo biznesu no valsts un komerciālo satelītu palaišanas, starptautiskā kosmosa palaišanas nozare pēdējo divu līdz trīs gadu desmitu laikā ir piedzīvojusi gandrīz pilnīgas tehnoloģiskās stagnācijas periodu. Lielākā daļa pašlaik izmantoto palaišanas sistēmu, tostarp Delta, Atlas, Titan, Soyuz, Molniya un Proton, jau lidoja vairāk vai mazāk to pašreizējās formās 60. gadu vidū. Lai gan pēdējo desmitgažu laikā ir ieviestas dažas papildu sistēmas, piemēram, Eiropas Ariane, tehnoloģiskie uzlabojumi ir bijuši tik nelieli, ka vecākas sistēmas joprojām ir konkurētspējīgas. Rezultātā kravu pārvadājumu tarifi no zemes virsmas līdz orbītai joprojām ir aptuveni 10 000 līdz 20 000 USD par kilogramu, kas ir tāds pats kā 1960. gados. Šīs pastāvīgi augstās izmaksas nopietni kavē kosmosa komerciālo attīstību.

Jaunas kosmosa nozares izveide

Tā kā raķešu lidmašīnas ir īstermiņa tehnoloģija ar plaši izplatītu komerciālu pielietojumu, vajadzētu būt iespējai finansēt to izstrādi galvenokārt ar privātiem ieguldījumiem. Tomēr jaunu lidojumu sistēmu izstrāde vienmēr ir saistīta ar ievērojamu uzņēmējdarbības risku, ko varētu mazināt valdības līdzdalība.

Atsauce uz mūsu pašreizējo laikmetu kā kosmosa laikmetu ir nepareizs nosaukums, 1910. gadus saucot par gaisa laikmetu. Izņemot militāro jomu, pasaule īsti nejuta gaisa ceļojumu ietekmi, līdz tehnoloģija kļuva par rutīnu un ikdienišķu un pieejamu vairāk nekā nedaudziem elites pārstāvjiem. Tāpat, ja pienāks īsts kosmosa laikmets, ir vajadzīgs tirgus raķešu transportlīdzekļu tehnoloģijām, kas atbalsta kosmosa kuģu sastāvdaļu ražošanu nevis pa vieniem vai diviem, bet simtiem vai tūkstošiem.

Šo lidmašīnu ražotājiem būs jāsāk izmantot komerciālajā aviācijā izplatītās ražošanas metodes, nevis dārgās mazo sēriju ražošanas metodes, kas mūsdienās dominē kosmosa nozarē. Turklāt mums būs nepieciešama pasaules mēroga palaišanas infrastruktūra, kas atbalsta nevis simtiem lidojumu gadā, bet simtiem lidojumu dienā. Vienīgie tirgi, kas ir pietiekami lieli, lai stimulētu investīcijas šādās ražošanas jaudās un palaišanas infrastruktūrā, ir tālsatiksmes paku piegāde un pasažieru pārvadājumi.

Tā paša iemesla dēļ, ka militārās un pēc tam pasta lidmašīnas bija pirms pasažieru lidmašīnām, satelītu palaišanas, militārās un ātras paku piegādes raķešu lidmašīnas neapšaubāmi būs pirms pasažieru raķešu lidmašīnām. Tomēr noteikti pienāks diena, kad tūkstošiem raķešu lidmašīnu katru dienu šķērsos zemi, apkalpojot biznesa un atpūtas ceļotājus no Ņujorkas līdz Tokijai, iespējams, pat orbītā.

paslēpties