Воздушный старт: Космос — это не высота, космос — это скорость

И еще одна моя статья для Warcats.

В представлении неспециалистов воздушный старт в Космос чрезвычайно  выгоден. Поднять ракету мощным самолётом повыше, запустить — и вуаля!  При этом ход мыслей примерно таков: граница Космоса (линия Кармана)  примерно в 100 километров, и если мы приподнимем ракету километров на  25-30 самолётом, то ей же лететь меньше! Логика красивая, стройная… и  совершенно, просто-таки до смешного неправильная.

Околоземная орбита

Что такое, собственно, околоземная орбита? Если просто — это  траектория космического аппарата, сформированная взаимодействием двух  сил: притяжения Земли и инерции его движения. Притяжение Земли норовит  сбросить аппарат вниз, на планету. И если бы на аппарат действовало  только оно, то так бы и вышло.

Но тут в игру вступает инерция. Которая направлена под углом к силе  притяжения и желает тащить аппарат в сторону от Земли. Две силы вступают  в противоборство… и результатом становится равнодействующая сила,  которая направлена не к Земле и не от Земли, а куда-то между ними.  Космический аппарат увлекается этой силой по непрерывно искривляющейся  траектории, проходящей вокруг Земли. И так и получается орбита.

Если хотите простое определение, то космический аппарат  всё время падает на Землю, но из-за сильного бокового смещения все время  промахивается.

Чтобы инерция могла уравновесить могучую силу притяжения Земли, у  космического аппарата должна быть достаточно высокая скорость. Для Земли  эта скорость должна быть не меньше 7,91 километров в секунду.  Собственно, большую часть времени полёта ракета-носитель тратит вовсе не  на набор высоты, а на разгон до этой умопомрачительной скорости.

Определение околоземных орбит 

На высоте не меньше 90—100 километров орбиты космических аппаратов  проходят ровно по одной причине: на такой высоте плотность земной  атмосферы очень низкая. Трение об атмосферу тормозит (а также  разогревает) космический аппарат, стремительно пожирая с таким трудом  приданную ему скорость. Поэтому на низких орбитах спутники живут от силы  годы, а на высоких — могут вращаться тысячи и миллионы лет. Если бы  Земля была отполированным гладким шаром, лишённым атмосферы, то ничто не  мешало бы запускать спутники с высотой орбиты хоть в миллиметр над  поверхностью.

Поэтому для достижения орбиты высота совершенно не важна. Имеет значение лишь скорость.

И что же в плане скорости прибавляет воздушный запуск? Да практически  ничего. Используемые сейчас для воздушных стартов самолёты-носители  вроде L-1001 «Старгейзер» или Boeing 747 «Космик Гёрл» — это дозвуковые  машины, способные развить не более 1000 км/ч. А это лишь около 0,28  километра в секунду. Такая незначительная прибавка к начальной скорости  ракеты просто-напросто не окупается.

Старт ракеты Pegasus с борта «Старгейзера» 

Даже 3 Маха — скорость, которую развивали лишь немногие  специализированные самолёты; это всего-навсего около одного километра в  секунду. Усложнение конструкции ракеты, необходимое для подвески под  сверхзвуковой самолёт, начисто съедает всю мыслимую выгоду от запуска  спутников с борта SR-71 или Миг-25.

Да, в принципе, возможны более скоростные самолёты, способные развить  6-9 Маха (2-3 км/с), но гиперзвуковой полёт на воздуходышащем  реактивном двигателе до сих пор является жутко сложной задачей даже для  одноразовых крылатых ракет. А если мы поставим на самолёт-разгонник  ракетный двигатель, то неизбежно встанет вопрос — чем он так уж лучше  обычной первой ступени ракеты-носителя? Тем, что приземляться умеет? Так  первые ступени приземляться уже научили и вертикально, без всяких  крыльев (тяжёлых) и самолётной компоновки.

То есть особых преимуществ в достижении орбиты воздушный старт не даёт. А вот проблемы и сложности создаёт, и немало.

При обычном вертикальном старте ракета испытывает исключительно  продольную нагрузку, направленную снизу-вверх. При воздушном же старте  она длительное время пребывает горизонтально и вынуждена испытывать ещё и  поперечную нагрузку. Необходимость обеспечивать не только продольную,  но и поперечную прочность заставляет делать ракету прочнее и массивнее,  тем самым съедая и без того невеликую выгоду.

Кроме того, запускаемая в воздухе ракета должна использовать топливо,  которое нормально хранится и не создаст катастрофических для  самолёта-носителя проблем в случае утечки. А это разом исключает как  криогенные топливные комбинации (увешивать самолёт ещё и компрессорами  для пополнения испаряющегося жидкого кислорода — право, чересчур), так и  токсичные долгохранящиеся (случайная утечка из бака с гидразином в  полёте может привести к крайне неприятным последствиям).

Справка:

Собственно, именно эти соображения и погубили расхваленный  советский космоплан воздушного старта «Спираль». После того как  выяснилось, что 6-маховый самолёт-разгонщик создать так просто не  получится, в качестве топливной пары предложили… фтор и водород. От  перспективы таскать над страной бак с десятками тонн этой адской (без  особого преувеличения), невероятно коррозийной субстанции, волосы  вставали дыбом даже у привычных советских военных.

МиГ 105.11 — дозвуковой самолёт-аналог орбитального самолёта, часть программы “Спираль” 

Так в чём же преимущества воздушного старта?

А вот в чём.

Эффективность работы сопла ракетного двигателя в атмосфере Земли и в  вакууме Космоса не одинакова. Давление атмосферы влияет на истекающую из  сопла струю газов, на соотношение давления газов и скорости истечения.  Регулируются они конструкцией сопла. Для работы в атмосфере оптимальны  более короткие сопла с небольшим коэффициентом расширения газов. А для  работы в вакууме — наоборот, с большим коэффициентом расширения.

Из этого следует довольно неприятное для ракетостроителей следствие:  невозможно построить двигатель, который одинаково хорошо работал бы и в  атмосфере, и в вакууме. Поэтому обычно на первые ступени ракет-носителей  ставят узкие «атмосферные» сопла. А на верхние ступени — широкие  «вакуумные».

Однако тут скрывается серьёзная проблема. Дело в том, что атмосферное  давление меняется очень быстро с набором высоты. На высоте в 20  километров оно почти в двадцать раз меньше, чем на уровне моря. Это  значит, что узкое «атмосферное» сопло первой ступени начнёт быстро  терять эффективность по мере подъёма. А учитывая, что первая ступень —  самая мощная и дорогая в ракете, любая неэффективность в ней…  нежелательна.

Воздушный старт позволяет обойти эту проблему. Если мы запускаем  ракету с самолёта, поднявшегося на 15-20 километров, то мы уже можем  поставить на первую ступень широкие «вакуумные» сопла и добиться  оптимальной ее эффективности. Да, прибавка не слишком велика… но в  ракетостроении любая оптимизация, как правило, себя окупает.

Схема воздушного запуска ракеты Pegasus XL 

Кроме того, воздушный старт позволяет подобрать оптимальную точку и  направление запуска. Наземные космодромы в этом плане сильно ограничены  географией: не со всякого космодрома можно запустить на любую желаемую  орбиту. Всегда приходится считаться с риском, что обломки первой ступени  (а то и целая аварийная ракета) могут упасть кому-нибудь на голову.

И хорошо если ещё в своей стране, а ну как в соседней?

Именно по этой причине с Канаверала, например, можно осуществлять  старты только в пределах определённого угла. Чуть южнее — и обломки  ракеты могут упасть на Кубу или в Мексику, создав международный  инцидент. Чуть севернее — и они упадут в густонаселённых районах США,  создав внутренний, но ничуть не менее громкий инцидент. А по масштабам  исков — так ронять на Кубу ещё и дешевле выйдет…

Угол, в рамках которого осуществляются запуски с мыса Канаверал 

А вот «летающий космодром» спокойно может расположиться так, что на  траектории запуска ракеты не будет ничего ценного. Или вообще устроиться  над морем. Значение также имеют и метеорологические условия: если  наземный запуск может быть запросто сорван грозой, бурей или сильным  ветром, то воздушный пуск может просто улететь от неблагоприятной  погоды.

Вот вкратце, что такое воздушный запуск и в чём его преимущества и  недостатки. И надо заметить, что преимущества, хотя и далеко не так  велики, как часто полагают обыватели, всё же и не совсем незначительны.