Первая космическая миля: орбита
- EHLV EHLV — это превосходно сыгранный оркестр из рельсотрона и?четырех реактивных двигателей, любой из которых попеременно играется собственную сольную партию. Грузовой модуль с?ракетными двигателями отделяется от самолета-носителя у верхней границы стратосферы на скорости более 10 ?Махов.
MagLev MagLev — концепция космического старта, в рамках которой самолет—носитель разгоняется, левитируя в ?магнитном поле над 4,8-километровым направляющим рельсом.
- Электромагниты удерживают 450-тонный летательный аппарат на высоте 95 мм над треком.
Cистема предварительного охлаждения воздуха?- основной и самый сложный компонент SABRE. Радиатор складывается из десятков тысяч тонкостенных трубок толщиной с?человеческий волос с циркулирующим в жидким гелием.
- EMALS Электромагнитная совокупность старта EMALS для перспективных авианосцев, пришедшая на смену классическим паровым катапультам, экономит место, требует меньших затрат энергии, менее прихотлива в?обслуживании.
Доставка 1 кг груза на маленькую МКС нашими «Прогрессами» и американскими «Шаттлами» обходится в? $20?000. Дорого, но при микроскопических количествах терпимо. А ведь для будущих миссий на Марс либо на Луну потребуется развертывание огромного орбитального терминала с тысячами тысячь киллограм горючего, провианта, воды и ?оборудования.
Но, деньги не самое ужасное: нынешним космическим «лошадкам» закинуть все это на будущий орбитальный терминал не под силу физически.
Физик Стэн Старр из Центра NASA им. Кеннеди говорит, что в первой половине 20-ых годов XXI века неприятность будет решена. Будущим покорителям космоса окажут помощь рельсовая электромагнитная катапульта (рейлган) и гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ГПВРД).
На их базе команда экспертов из NASA собирается создать революционную схему доставки грузов на орбиту называющиеся eLaunch Hypersonic Launch Vehicles (EHLV).
Представьте себе пилотируемый зубилообразный самолет размером с «Шаттл», оснащенный ГПВРД (он же «скрамджет»), забрасываемый в небо электромагнитной катапультой со скоростью 1800 км/ч. Мощность импульса трехкилометровой стартовой установки сравнима с? годовым энергопотреблением маленького города.
В то время, когда инерция первого броска начнет затухать, случится запуск турбореактивного двигателя, ускоряющего машину до 4500 км/ч, по окончании чего маршевый скрамджет положит стрелку бортового спидометра на отметку 10 Махов. На высоте 65 км от самолета отделится грузовой модуль. Пилот отправится на Землю за новой порцией груза, а модуль причалит к орбитальному терминалу при помощи собственного ракетного двигателя-бустера.
За день гиперзвуковой аппарат сможет сделать пара рейсов на орбиту независимо от погодных условий. Сколько будет стоить доставка? Стэн Старр говорит об $1−2 тысячах за 1?кг груза — и это лишь на начальной стадии.
Лоренц — это сила!
Трехкилометровый рельсотрон — базисный элемент стартового комплекса EHLV. Мощность этого линейного двигателя будет эквивалентна более чем 240?000 «лошадкам». За 60 с сила Лоренца разгонит летательный аппарат до 1,5?
Маха, но перегрузки наряду с этим благодаря медлено нарастающей скорости будут в полной мере приемлемыми ?- не более 3?g. Это чуть больше, чем испытывают пассажиры самолётов при взлете, и значительно меньше, чем достается армейским пилотам при исполнении скоростных виражей.
Рельсотрон является конструкцией из двух параллельных рельсов, на каковые подается напряжение, и проводника-перемычки, что и разгоняется на протяжении рельсов, увлекаемый силой Лоренца. Главное преимущество рейлгана — высочайшая скорость боеприпаса. Но до сих пор рельсотроны употреблялись только для разгона относительно малых весов ?- от невесомого сгустка плазмы до боеприпаса в? пара килограммов.
Второй вариант наземного ускорителя? — пушка Гаусса — самая зрелая разработка на сегодня. Она является последовательностью катушек индуктивности, в ?магнитном поле которых разгоняется боеприпас. Катушки включаются приятель за втором, «провожая» ускоряющийся груз к выходу.
Разогнать боеприпас до вправду высоких скоростей в? пушке Гаусса сложно, поскольку это требует через чур стремительного переключения высоковольтных катушек.
В синхронных линейных электродвигателях включающиеся поочередно катушки создают «бегущее» магнитное поле, толкающее двигатель и целый аппарат на протяжении направляющего рельса. Скоростные моторы для того чтобы типа до тех пор пока находятся в стадии разработки.
В NASA накоплен большой опыт в области электромагнитных ускорителей. Это в первую очередь Maglifter — абстрактная модель, созданная компанией Maglev 2000. Направляющий рельс длиной 4,8 ?км, вписанный в?ландшафт стартового комплекса на мысе Канаверал, заключен в туннель из кольцевых сверхпроводящих магнитов, талантливых держать 450-тонный летательный аппарат с?разгонной платформой на высоте 95 мм над треком.
Согласно расчетам ученых, ускоритель Maglifter имел возможность бы разогнать многоразовый орбитальный самолет Argus до 890 км/ч, перед тем как его электроника запустит два двигателя, трудящихся в воздухе и вне ее за счет бортового запаса кислорода и жидкого водорода. Наилучший вариант размещения трека Maglifter ?- высокогорное плато. Понижение сопротивления воздуха на громадных высотах имело возможность бы сэкономить до?
30% ?топлива.
Но, Maglifter так и остался на бумаге. В ?действительности же в Центре NASA им. Кеннеди в ?течение семи лет проводились запуски беспилотников на 150-метровом рельсотроне, развивавшем тягу в 2,6 т.
Гауссолет
Не обращая внимания на всю собственную экзотичность, электромагнитные ускорители в далеком прошлом нашли использование в ?настоящей жизни. Еще во второй половине 90-ых годов двадцатого века голландская компания Vekoma, специализирующаяся на разработке аттракционов класса хай-энд, создала такую установку для флоридского комплекса DisneyWorld. В том же году ученые из ВМФ США ухватились за идею и ?привлекли голландцев к? разработке баз концепции EMALS — электромагнитной катапульты для авианосцев.
Аттракцион разгоняет пассажирскую капсулу до 100 км/ч за 2,8 с. Совокупность EMALS стреляет в три раза стремительнее многотонными боевыми самолетами. Как раз EMALS на данный момент служит основным источником данных для программы EHLV. На базе ВМФ США в Лейкхерсте армейские уже третий год выполняют ее тестирование.
В ?2010 году было совершено более 700 пробных беспилотных запусков, а в последних числах Декабря электромагнитная катапульта удачно запустила в небо пилотируемый истребитель-бомбардировщик F/A-18E ЖД Hornet.
EMALS — сложная электромагнитная? совокупность неспециализированной массой 225 т, складывающаяся из импульсных генераторов, совокупности управления и ?линейного синхронного электродвигателя мощностью 100?000 л.с. Двигатель (по сути пушка Гаусса) складывается из сдвоенных вертикальных С-образных статоров с бронзовой обмоткой, расположенных в ?2,5 см друг от друга, и? 7-метрового подвижного боеприпаса со 160 ?неодимовыми магнитами. наружная траверса и Снаряд — захват перемещаются в? горизонтальных направляющих на особых катках.
Любой из 103-метровых статоров складывается из 149 последовательно включающихся сегментов толщиной 64 и длиной 7,6 см.
КПД двигателя образовывает 70%. Остальные 30% энергии импульса рассеиваются в виде тепла. Волна энергии в 1?мВт преодолевает эту стометровку всего за несколько секунд, нагревая сердечники статора до 1550?С.
Замечательная совокупность радиаторов из металлических трубок в алюминиевом корпусе успевает снизить температуру рельса до 750? за 45 с. Исходя из заданной мощности в 180 мВт нагрев космического рейлгана будет еще более важным, потребуется очень производительная совокупность охлаждения.
Основная неприятность для NASA содержится в? аккумуляторная батареях, талантливых накопить, а после этого в считанные 60 секунд выдать потрясающий по силе импульс. В EMALS эту роль играются роторные генераторы с двумя парами маховиков массой 36,3?т. Ядерная силовая установка авианосца нового класса Gerald R. Ford будет раскручивать маховики шести бортовых генераторов до 6400?об/мин за 42 с. Какой тип аккумуляторная батарей будет использоваться в EHLV, пока не сообщается.
Дать Маху!
Допустим, инженерам NASA удастся урегулировать все вопросы со сверхмощным рейлганом. Но по окончании того как орбитальный самолет оторвется от разгонной платформы, ему нужно будет карабкаться в стратосферу самому.
Будущий гиперзвуковой летательный аппарат будет оснащаться комбинированной силовой установкой, включающей в себя простой турбореактивный двигатель со скоростным пределом в 4 Маха и?гибрид прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД, либо рамджета) с гиперзвуковым ПВРД (ГПВРД, либо скрамджетом). Вдобавок он возьмёт ракетные двигатели для выхода на маневрирования и орбиту.
ТРД обеспечит действенный разгон автомобили на относительно низких высотах до скорости в? 4 ?Маха. Большее ему не под силу. Режим ПВРД употребляется для выхода на гиперзвук, за чертой которого он начинает «захлебываться» воздухом. Исходя из этого при полете на скорости 5 Махов и более будет солировать скрамджет. Кстати, первые образцы таких агрегатов были созданы еще в ?середине 1980-х советскими конструкторами из ЦИАМ им.
Л.И.?Баранова для гиперзвуковой летающей лаборатории «Мороз», но в смутное время данный проект был никому не нужен. Американцы же занимались данной проблемой с?начала 1990-х, и прошедшей весной скрамджет производства Pratt & Whitney Rocketdyne на носителе Boeing X-51 Waverider с?твердотопливным ракетным ускорителем совершил 200-секундный независимый полет на скорости около 5 Махов.
Коренное отличие скрамджета от несложного «прямоточника» — сверхзвуковая скорость сгорания топливовоздушной смеси. Теоретически он способен перепрыгнуть планку в 25 ?Махов. Благодаря особенной геометрии корпуса воздушное пространство сжимается поступательным перемещением самого самолета и ускоряется в нем еще посильнее.
В ПВРД же происходит замедление воздуха, и ?смесь сгорает на дозвуковой скорости.
Грубо говоря скрамджет — это не совсем двигатель. Он изначально интегрируется в ?фюзеляж летательного аппарата, а все его элементы (в ?первую очередь сопло и воздухозаборник) выполняются из ультражаропрочных материалов. Более того, он практически диктует конструкторам требуемый силуэт корпуса.
Революция по графику
В программу EHLV вовлечены фактически все главные подразделения NASA. Центры им.? Лэнгли, Гленна и Эймса будут заниматься испытаниями и разработкой гиперзвуковых летательных аппаратов. Центры им. Кеннеди, Годдарда, Драйдена и Маршалла сосредоточатся на конструкции катапульты. Помимо этого, в Центре им. Кеннеди будет выстроен испытательный стенд длиной более 3?км.
Место под него уже выяснили: рельс будет проложен рядом от стартового комплекса Launch Pad 39A. Согласно точки зрения Стэна Старра, Центр Кеннеди, выстроенный под миссию Apollo, а после этого реконструированный для Shuttle, и в будущем останется главными воротами NASA в космос.
В течение ближайшего года NASA собирается определиться с приоритетными разработками, и уже в 2012—2013 годах начнутся дозвуковые запуски упрощенной трехметровой модели космоплана. В 2015—2016 годах в небо полетит модель длиной 10 м и массой 4 т, оснащенная ТРД. На этом этапе предстоит отработать технику электромагнитного старта на скоростях более чем 1 ?Маха и ускорение до 4 Махов.
До конца десятилетия будет создана 12-тонная гиперзвуковая модель аппарата, оснащенная механизмом отделения орбитального модуля, с начальной скоростью отрыва от платформы рельсотрона до 1−5 Махов и ускорением в полете до 6 ?Махов. К 2021 году NASA обещает выстроить стартовый комплекс и посредством гиперзвукового летательного аппарата доставить на орбиту спутник. Правильные размеры, грузоподъемность и ?другие параметры автомобили будут выяснены не позднее чем за три года до завершения программы.
Гиперзвуковой холодильник
Английский инженер Ричард Уорвилл из компании Reaction Engines планирует положить на лопатки концепцию гиперзвуковой установки NASA. Его гибридный турбореактивно-ракетный двигатель SABRE для будущего космоплана Skylon будет трудиться в одиночку от взлета до посадки. В пределах воздуха SABRE функционирует как ТРД, выводя Skylon на скорость 5,5 Маха. На таких скоростях поступающий в двигатель воздушное пространство мгновенно нагревается до 15000С, но после этого в течение 0,3 с охлаждается на особом радиаторе до 1500.
Это разрешает применять для его последующей подачи и предварительного сжатия в камеру сгорания простой турбокомпрессор. Выше, где внешнего кислорода уже не хватает, двигатель переключается в режим закрытого цикла и трудится на бортовом запасе водорода и сжиженного кислорода, развивая тягу в 300 т и выстреливая Skylon на скорости до 25 Махов.
Статья размещена в издании «Популярная механика» (№101, март 2011).
<
h4>