Практически ни в одном фантастическом фильме вы не встретите огромных ракет, медленно и тяжело взлетающих со стартовой площадки. Космические корабли будущего в представлении фантастов и режиссёров фильмов больше похожи на самолёты: они способны одинаково хорошо двигаться как в космосе, так и в воздушном пространстве. С одной стороны, такие космопланы или космолёты кажутся проще, удобнее и красивее современных ракет. Однако на деле такие аппараты сталкиваются со множеством трудностей, разрешить которые пока не удалось.

Ракета и космолёт: в чём разница

Ракета — это реактивный двигатель, который создаёт тягу, выбрасывая назад высокоскоростную струю горячего газа от сгорания топлива. Это прямое применение третьего закона движения Ньютона: «Для каждого действия всегда есть равное и противоположное противодействие». Когда ракета выбрасывает выхлопные газы, сама ракета движется в противоположном направлении. Уникальность ракетных двигателей в том, что они несут на борту всё необходимое для работы: и топливо, и окислитель. Это позволяет им функционировать даже в вакууме космоса, где нет атмосферного кислорода. Топливо может быть твёрдым, жидким или гибридным. Интересно, что ракеты работают даже эффективнее в вакууме, чем в атмосфере, так как отсутствует внешнее атмосферное давление, мешающее потоку выхлопных газов.

Алексей Филиппов/РИА Новости

Старт ракеты-носителя "Союз-2.1а" с кораблем "Союз МС-27" с космодрома Байконур. Идеальный космолёт — это аппарат, способный летать и как самолёт в атмосфере Земли, и как космический корабль в космосе. В научной фантастике их часто показывают как одноступенчатые системы выхода на орбиту (SSTO). Это значит, что они могут взлетать с поверхности планеты и выходить на орбиту без сброса каких-либо частей. В фильмах такие аппараты даже могут совершать вертикальный взлёт и посадку на обычные взлётно-посадочные полосы. Многие концепции космолётов SSTO предполагают использование воздушно-реактивных двигателей (ВРД) на начальном, атмосферном этапе полёта. ВРД эффективны в атмосфере, так как используют атмосферный кислород в качестве окислителя. Это избавляет от необходимости нести на борту тяжёлый запас окислителя на этом этапе, что потенциально делает двигатель легче и повышает удельный импульс.

Lucasfilm Ltd.

Корабль класса «Звёздный разрушитель» назвать космолётом в полной мере нельзя — он не способен садиться на планеты Однако у ВРД есть фундаментальное ограничение: по мере набора высоты атмосфера становится всё более разряжённой, кислорода и плотности воздуха становится меньше. Выше 20–30 км и при скорости около 5–6 Махов (1 Мах = 333 метра в секунду) ВРД теряют эффективность или перестают работать вовсе. В космосе они бесполезны. Даже в атмосфере ВРД сталкиваются с проблемами: на гиперзвуковых скоростях входящий воздух сильно сжимается и нагревается до экстремальных температур (например, 1000°C на скорости 5.5 Маха), которые двигатель должен выдерживать. Это ограничивает их максимальную рабочую скорость. Поскольку одних ВРД недостаточно для выхода в космос, проекты космолётов часто предполагают сложные гибридные двигатели, способные переключаться из воздушно-реактивного режима в ракетный, используя бортовой окислитель. Примером такого двигателя был SABRE для космолёта Skylon.

Проблемы создания «настоящего» космолёта

Создание полноценного космолёта сталкивается с рядом серьёзных физических и инженерных проблем.

Нужен огромный запас топлива

Основная сложность выхода в космос описывается уравнением Циолковского. Оно показывает, что для достижения необходимого изменения скорости ракета должна иметь очень большую долю топлива по отношению к своей общей массе. Чтобы выйти на низкую околоземную орбиту (НОО), аппарат должен разогнаться до скорости свыше 7400 м/с (примерно 27 000 км/ч). С учётом потерь на гравитацию и атмосферное сопротивление требуемое изменение скорости составляет от 9000 до 10 000 м/с. При существующих технологиях химических ракетных двигателей это означает, что более 86% стартовой массы аппарата должно приходиться на топливо. Остаётся очень мало массы для самой конструкции, двигателей и полезной нагрузки. Это явление известно как «тирания ракетного уравнения». Каждый дополнительный килограмм сухой массы (например, крылья, сложные двигатели, системы теплозащиты) требует непропорционально большего количества топлива. Это делает создание космолёта чрезвычайно сложной задачей. Крылья и компоненты ВРД, полезные в атмосфере, становятся мёртвым грузом в космосе, усугубляя проблему и значительно снижая массовый коэффициент. Это создаёт порочный круг: попытки сделать аппарат более универсальным делают его менее способным достичь орбиты. Физика орбитальной механики благоволит системам, которые могут сбрасывать ненужную массу во время подъёма. Многоступенчатые ракеты как раз это и делают, сбрасывая отработавшие ступени и эффективнее достигая орбитальной скорости. Космолёт SSTO, пытаясь выйти на орбиту единым аппаратом, борется с этим фундаментальным принципом.

Wikimedia Commons/«Рамблер»

Схема работы воздушно-реактивного двигателя Ракеты обычно стартуют вертикально, чтобы как можно быстрее преодолеть самые плотные слои атмосферы, где велико аэродинамическое сопротивление. После начального вертикального подъёма ракеты выполняют «гравитационный разворот» — манёвр, при котором ракета постепенно наклоняется, позволяя гравитации изменять её траекторию к горизонтали. Это эффективно, так как минимизирует потребность в управляющих поверхностях и использует тягу почти полностью для ускорения, поддерживая низкий угол атаки и снижая аэродинамические нагрузки. Самая главная оптимизация для ракет — это многоступенчатость. По мере расходования топлива каждая ступень сбрасывается вместе с пустыми баками и двигателями. Это уменьшает общую массу, которую нужно разгонять последующим ступеням, обеспечивая гораздо более выгодный массовый коэффициент. Это прямое инженерное решение ракетного уравнения, которое космолёты SSTO использовать не могут.

Атмосфера и космос — разные среды

Главное преимущество ВРД — отсутствие необходимости в окислителе на борту — нивелируется тем, что для космической части полёта всё равно нужна ракетная двигательная установка с собственным окислителем. Это вынуждает космолёт нести мёртвый груз в виде ВРД и одновременно окислитель для ракетного режима. Такая двойная нагрузка сводит на нет экономию массы и значительно усложняет конструкцию. Ни один тип двигателя не оптимален для всей траектории «Земля-орбита». Компромиссы, необходимые для интеграции обеих систем, приводят к более тяжёлым и менее эффективным конструкциям по сравнению со специализированными ракетами. Комбинированные двигательные установки Необходимость работать и в атмосфере, и в космосе привела к разработке сложных комбинированных двигателей, таких как SABRE (Synergetic Air-Breathing Rocket Engine) от компании Reaction Engines. SABRE должен был работать как ВРД на малых высотах, а затем переключаться в ракетный режим, используя бортовой жидкий кислород. Разработка SABRE выявила огромные инженерные трудности:

Технология предохладителя. Критически важный компонент, который должен был охлаждать входящий воздух с более чем 1000°C (на скорости 5,5 Маха) до –150°C за сотые доли секунды, предотвращая образование льда. Это была главная техническая проблема.
Материалы. Экстремальное и быстрое охлаждение требовало революционных лёгких материалов, способных выдерживать такие условия и связанные с ними тепловые напряжения.
Системная интеграция. Двигатель SABRE включал сложную гелиевую систему охлаждения, турбокомпрессоры и механизмы переключения режимов.
Сопротивление от неактивных компонентов. Ранние концепции комбинированных двигателей сталкивались с проблемой сопротивления, создаваемого неактивными в данный момент компонентами двигателя.

Reaction Engines

Космолёт Skylon в представлении художника Несмотря на значительные инвестиции и успешные испытания компонентов, Reaction Engines Limited подала заявление о банкротстве в 2024 году, что привело к отмене проектов SABRE и Skylon. Эта неудача показала, что стоимость и риск разработки универсальной двигательной системы огромны. Фундаментальные физические требования работы в двух совершенно разных средах создают проблему, для которой пока не найдено жизнеспособного инженерного решения. Это вынуждает проекты космолётов либо нести избыточные системы, либо жертвовать производительностью.

Конструкция и материалы

Крылья и другие аэродинамические поверхности необходимы самолётоподобному аппарату для полёта в атмосфере: они создают подъёмную силу, обеспечивают управляемость и возможность горизонтальной посадки. Однако на орбите эти элементы становятся мёртвым грузом. Они не выполняют никаких функций в вакууме и увеличивают массу аппарата, которую нужно разогнать до орбитальной скорости. Это ухудшает массовый коэффициент и грузоподъёмность. Дело не только в массе самих крыльев. Их наличие диктует общую форму и конструктивные требования к аппарату, что, в свою очередь, влияет на систему тепловой защиты при входе в атмосферу. Крылатый аппарат входит в атмосферу иначе, чем капсула, и требует более сложной и тяжёлой защиты. Космический челнок «Спейс шаттл», например, использовал многоразовые высокотемпературные плитки (HRSI) из пористого кремниевого материала, очень лёгкого и термостойкого. Они выдерживали температуру до 1260°C. Однако обслуживание этих плиток было трудоёмким и дорогим: около 35 000 плиток проверялись вручную, и каждая изготавливалась для своего конкретного места. При этом повреждение даже нескольких плиток критично — именно из-за этого произошла катастрофа шаттла «Колумбия» 1 февраля 2003 года. Гиперзвуковые аппараты, такие как космолёты, сталкиваются с ещё более серьёзными проблемами: их поверхности, особенно передние кромки и части двигателя, должны выдерживать температуры свыше 1650°C. Это требует разработки высокотемпературных лёгких материалов, включая титановые и алюминиевые сплавы, усовершенствованные углерод-углеродные композиты. В этой области на данный момент ведутся разработки, и в будущем, вероятно, эта проблема может быть решена.

Проекты космолётов

Несмотря на все сложности, учёные и инженеры уже долгое время пытаются создать космолёт. Некоторые из предложенных схем предполагают гибридный подход, когда летательный аппарат лишь частично можно отнести к этому классу. Но ведутся работы и над полноценными космолётами.

«Спейс шаттл»

Американский «Спейс шаттл», хотя и был многоразовым крылатым аппаратом, не являлся «истинным» космолётом. Он стартовал вертикально, как ракета, с помощью собственных двигателей, твердотопливных ускорителей и внешнего топливного бака, а возвращался на Землю и садился как планер.

Wikimedia Commons

Пуск «Спейс шаттла» Программа «Спейс шаттл» не достигла заявленных целей по снижению стоимости запусков и рутинности полётов. Изначально предполагалось, что шаттл будет летать раз в неделю, но этот план оказался нереалистичным, и график запусков был сокращён. Высокие эксплуатационные расходы были обусловлены, в частности, требованиями ВВС США к большой поперечной дальности полёта, что привело к увеличению размеров крыльев, веса и количества теплозащитных плиток, обслуживание которых было очень дорогим. Кроме того, две из пяти машин были потеряны в катастрофах, унёсших жизни 14 астронавтов.

Проекты X-30 (NASP) и Skylon (Reaction Engines)

Проект X-30 (National Aero-Space Plane, NASP), запущенный в 1986 году, был амбициозной попыткой США создать пилотируемый аппарат, способный выходить в космос с помощью одноступенчатой двигательной установки на ВРД. Целью были горизонтальный взлёт, разгон до скорости в 25 Махов, выход на орбиту и посадка на обычную полосу. Проект отменили в начале 1990-х из-за сокращения бюджета и технических трудностей, несмотря на достижения в материаловедении. Основной проблемой была разработка лёгких материалов, способных выдерживать нагрев до 1650°C. Skylon, концепт британской компании Reaction Engines, должен был использовать гибридный двигатель SABRE. Как уже упоминалось, проект был отменён в 2024 году из-за финансовых проблем разработчика двигателя. В настоящее время разрабатываются аппараты вроде Dream Chaser (США), который запускается на ракете, и Space Rider (ЕКА) — беспилотный орбитальный аппарат. DARPA работает над программой Experimental Spaceplane (ранее XS-1), целью которой является создание полностью многоразового беспилотного аппарата, взлетающего вертикально и садящегося горизонтально, но использующего расходуемую верхнюю ступень для вывода полезной нагрузки.

Буран

Советский «Буран» внешне напоминал американский «Спейс шаттл», однако имел ключевые отличия в конструкции и возможностях. В отличие от шаттла, чьи основные двигатели были частью самого корабля, «Буран» использовал для вывода на орбиту мощную ракету-носитель «Энергия», на которой и размещались основные двигатели.

Wikimedia Commons

Летавший в космос «Буран» 1.01 на выставке в Ле-Бурже, 1989 год Главной вехой и уникальной особенностью программы «Буран» стала его способность к выполнению полностью автоматических полётов, включая посадку. Это было продемонстрировано во время его единственного космического полёта 15 ноября 1988 года, когда корабль совершил два витка вокруг Земли и успешно приземлился в автоматическом режиме на Байконуре. Однако в 1993 году программа «Энергия — Буран» была законсервирована и работы по ней не велись вплоть до 2016 года. В Центре имени Хруничева, который занимается разработкой этой системы, заявили, что планируют создать многоразовую систему, у которой первая ступень после отработки будет садиться на взлётно-посадочную полосу как самолёт.

Частично многоразовые системы — SpaceX Starship

В то время как «истинные» космолёты сталкиваются с фундаментальными проблемами, ракетная техника эволюционировала в сторону частичной и полной многоразовости, что уже привело к значительному снижению стоимости запусков. Компания SpaceX с ракетами Falcon 9, Falcon Heavy и разрабатываемым Starship считается лидером в этом направлении. Falcon 9 существенно снизил стоимость вывода грузов на низкую околоземную орбиту благодаря многоразовому использованию первой ступени, которая совершает управляемый спуск и посадку. Starship — это полностью многоразовая двухступенчатая сверхтяжёлая ракета-носитель. Обе её ступени (ускоритель Super Heavy и сам корабль Starship) предназначены для вертикального взлёта и посадки. Хотя Starship полностью многоразовый, он остаётся ракетой, использующей традиционные принципы ракетной тяги и вертикального старта/посадки, а не концепцию космолёта.

Почему ракеты всё ещё выигрывают

Относительная простота и отработанность технологии. По сравнению с космолётами ракеты обладают относительной простотой конструкции и гораздо более отработанной технологией. Принципы ракетной тяги, основанные на законах Ньютона, хорошо изучены и применяются десятилетиями. Ракеты были ключевым инструментом освоения космоса и остаются единственным достаточно мощным средством для вывода аппаратов на орбиту и единственным, работающим в вакууме космоса благодаря собственному запасу окислителя. Многоступенчатая конструкция, позволяющая сбрасывать отработанные части, доказала свою надёжность и эффективность. Стоимость разработки. Разработка «настоящего» космолёта, особенно SSTO с гибридным двигателем, требует огромных инвестиций. Проекты X-30 NASP и Skylon столкнулись с непреодолимыми техническими и финансовыми трудностями, что привело к их закрытию. Создание двигателей типа SABRE сопряжено с беспрецедентными проблемами в материаловедении и системной интеграции, требующими дорогостоящих исследований. В то же время многоразовые ракеты, такие как Falcon 9 и Starship, демонстрируют, что значительного снижения стоимости можно достичь путём усовершенствования существующих ракетных технологий. Например, стоимость запуска Falcon 9 составляет около 62 миллионов долларов, а экономия от повторного использования ускорителя — около 15 миллионов долларов. Прогнозируемая стоимость запуска Starship — всего 2–10 миллионов долларов. Это делает ракеты гораздо более привлекательным вариантом. Физические и инженерные ограничения. Главная причина доминирования ракет — фундаментальные физические и инженерные ограничения, делающие концепцию «настоящего» космолёта чрезвычайно сложной при текущем уровне технологий. Среди них «тирания ракетного уравнения», различные двигатели для космоса и атмосферы, а также необходимость создания материалов, способных выдерживать экстремальные температуры. Эти фундаментальные ограничения означают, что, хотя космолёты и выглядят привлекательно, их практическая реализация, способная конкурировать с ракетами по стоимости и надёжности, остаётся далёкой перспективой.

В итоге

Несмотря на притягательность идеи космолётов, взлетающих и садящихся подобно самолётам, реальность освоения космоса по-прежнему прочно связана с ракетами вертикального старта. Это объясняется физическими и инженерными проблемами. Ракеты, основанные на проверенных законах Ньютона, самодостаточны в вакууме благодаря бортовому окислителю и оптимизированы для эффективного набора орбитальной скорости за счёт многоступенчатости. Возможность сбрасывать отработанные ступени — их фундаментальное преимущество. Поэтому есть все основания полагать, что ракеты с нами надолго. Пока не будут разработаны новые защитные материалы, новые двигательные установки и системы запуска летательных аппаратов, космолёты, увы, не станут «окном в космос» для человечества.