Суборбитальная авиация: новый формат полетов

Гиперзвуковые полеты могут соединяться с суборбитальным космосом в единое целое, создавая новую область авиации.

Появление реактивной авиации расширило область полетов, подняв их в стратосферу. Гиперзвуковые самолеты смогут выйти не только за стратосферу, но и за саму атмосферу. Авиация за атмосферой звучит явным противоречием. Тем не менее такой формат авиаперелетов не только возможен, но и рационален. Он может появиться уже через 15–20 лет.

На стыке аэродинамики с баллистикой

Самолет — конструкция аэродинамическая и выполняет аэродинамические полеты. Что это означает?

Аэродинамикой зовется царство сил, возникающих при обтекании тела воздушной средой. Чем быстрее движение и обтекание (например, крыла самолета), тем больше аэродинамические силы. Вырастая со скоростью, они соперничают с силой гравитации Земли и держат самолет в воздухе, не давая ему упасть. Аэродинамическая подъемная сила формирует полет самолета и его геометрию. На этом построена авиация, занимающая огромную часть необъятного царства воздушного движения.

Баллистическим зовут свободное движение тела под действием силы гравитационного поля, она же сила тяготения. Так летит предмет, брошенный баллистой — античной метательной установкой. Он испытывает и тормозящую силу воздушной среды — аэродинамическое сопротивление. Поэтому в классической, «базовой» баллистике действуют две силы: гравитационная и аэродинамического сопротивления, или сила поля и сила среды.

А в «неклассической»? В общем случае баллистика работает с любым комплексом сил, где преобладает и главенствует гравитационная сила. Например, орбитальная баллистика учитывает добавки движения от сил давления света Солнца или магнитного поля Земли. И пока добавки будут невелики в сравнении с действием гравитационной силы, движение останется баллистическим.

Воздушная среда может создавать не только силу сопротивления, но и аэродинамическую подъемную силу, в разы большую силы тяготения. Тогда полет из баллистического становится аэродинамическим. Так летят самолеты и другие летательные аппараты, чью траекторию движения создает подъемная сила. Любой горизонтальный полет самолета, от полета по прямой до виража, или разворот с набором высоты и мертвая петля создаются именно подъемной силой.

Но самолет может лететь и баллистически, под действием главным образом силы тяготения. Это крутые и вертикальные пикирования. Или горки в форме параболы. Подъемная сила на них обнуляется летчиками (они выдерживают угол атаки с нулевой подъемной силой), а сопротивление воздуха компенсируется тягой двигателей.

На такой параболе на борту наступает невесомость, «включаясь» с началом подъема по параболе и продолжаясь на всем протяжении. Так тренируют будущих космонавтов на специальном самолете Ил-76МДК. Его параболические полеты длятся по 25–30 секунд. Невесомость, охватывающая участников на борту, говорит об их движении по чисто баллистической траектории свободного падения.

Если на такой горке самолет поддержит небольшая подъемная сила, его траектория станет полубаллистической, полуаэродинамической. Такие траектории называют аэробаллистическими. По ним летят боевые аэробаллистические ракеты, увеличивая аэродинамикой высоту и дальность полета по баллистической траектории. И превращая ее в растянутую дугообразную фигуру.

Вершина динамического потолка

Аэробаллистические горки давно знакомы в авиации. Истребители разгоняются на большой высоте и переходят в крутой подъем, таким образом выходя на свой динамический потолок. Это самая высокая точка, до которой может подняться самолет. Там он не держится и проваливается вниз: сила тяготения преобладает над подъемной силой, слабой от высотного разрежения воздуха.

Динамический потолок можно использовать для перехвата целей (например, высотных крылатых ракет), идущих в средней стратосфере выше боевого потолка истребителя. Боевой потолок — предельная высота, на которой самолет может лететь горизонтально с креном, нужным для доворота на цель и сближения с ней до условий пуска ракет. А если цель идет значительно выше? Поднявшись на динамический потолок, истребитель может запустить оттуда ракету по цели, только что прошедшей еще выше над ним. Тогда цель окажется в поле зрения головки самонаведения (она захватит цель) и в дальности поражения ракетой. Сложатся условия для пуска ракеты и поражения цели.

Первые похожие полеты получались из-за невыхода на сверхзвук самолетов Су-9. Ситуации возникали на первом этапе освоения первых высотных сверхзвуковых истребителей Су-9 при перехвате высотных целей.

У летчиков не было опыта полетов в стратосферу, знания профиля высотного полета и правильного выхода на сверхзвуковой режим. Не сделав необходимого для выхода на сверхзвук горизонтального разгона на высоте 10 км, летчики с самого взлета продолжали непрерывный набор высоты на форсаже. Форсажной тяги не хватало для разгона на сверхзвук одновременно с крутым подъемом. Сверхзвуковой режим не достигался, под небольшим треугольным крылом Су-9 не возникала зона сверхзвукового сжатия потока, своим давлением держащая самолет в воздухе в стратосфере. И истребители, сделав в стратосфере горку на дозвуковом режиме, проваливались вниз, не достигая своего боевого потолка.

Но полет на динамический потолок никогда не использовался как основной способ передвижения. Потому что величина аэробаллистической кривой самолета составляет километры по вертикали и десяток-другой километров по горизонтали. Для большой дальности «прыжка» нужна и более высокая скорость; быстрота сверхзвуковых самолетов может оказаться недостаточной.

Горка в тысячу километров

Кривая такого масштаба уже не будет аэробаллистической в обычном смысле, формируемой одновременно двумя началами — баллистикой и аэродинамикой. Изгиб траектории вверх на входе в горку сделает аэродинамическая подъемная сила. Она же добавит вертикальной скорости с началом набора высоты.

Но лишь до тех пор, пока атмосфера сможет создавать эту силу. За границей стратосферы (55 км высоты) и плотность воздуха, и аэродинамические силы станут исчезающе малы. Дальше начнется чисто баллистический участок горки. И он будет основным для всей фигуры, во много раз большим, чем начальный и конечный аэробаллистические участки. И чем больше фигура, тем она будет более баллистической. А значит, и форма этой главной части будет чертиться только гравитационным полем.

Масштаб в 1000 км по горизонтали лежит на границе двух физических моделей гравитационного поля. Меньше него кривизной Земли пренебрегают; ее поверхность плоская, а поле тяготения сложено параллельными силовыми линиями. В большем масштабе уже сказывается кривизна Земли, поле тяготения становится центральным, а движение в нем — обращением вокруг центра поля.

Какая скорость нужна для начала горки тысячекилометровой дальности? Посмотрим на ракетную баллистику, где дальность точки падения получается из скорости начала свободного полета. Конечно, при соблюдении оптимального наклона начала траектории (угла над горизонтом).

Для плоской Земли и «плоскопараллельного» гравитационного поля угол бросания на наибольшую дальность составляет 45°. Для дальности 1000 км нужна скорость «броска» около 3000 м/с. Это примерное значение, поскольку высота начала горки может быть разной. На высоте 35 км скорость звука — 308,6 м/с. Значит, значение числа Маха для 3000 м/с будет М=9,7, округленно М=10.

Какая форма будет у нашей горки, к какой кривой ее отнести? Это не классическая парабола для пустоты и «плоского» поля тяготения. Уже чувствуя центральность поля, она слегка изогнется в кусок орбитального эллипса. Также она не будет и дугой в строгом смысле или частью окружности. Назовем эту траекторию просто баллистической горкой, не относя в точности ни к параболе, ни к дуге, ни к части эллипса. Ее высота достигнет 280–300 км; две трети ее пройдут выше 100 км, то есть в космическом пространстве. Это суборбитальная траектория.

Плюсы суборбитальной горки

Преимуществ баллистической кривой как транспортного пути несколько.

Первое: в заатмосферной «чистой баллистике» нет потерь энергии, с набором высоты скорость снижается, уменьшая кинетическую энергию. Но зато растет потенциальная энергия в гравитационном поле, и полная энергия тела остается неизменной. При снижении потенциальная энергия снова переходит в кинетическую, и скорость восстанавливается до начальной.

Самолет вернется в верхнюю стратосферу с той же скоростью, с какой покинул ее в начале дуги. Почти: за вычетом небольшой части скорости, которую «съест» атмосфера за стратосферой. И это будет намного экономичнее, чем «кормить атмосферу» топливом весь полет, как обычные самолеты. Налицо экономия топлива и износа самолета в атмосферных нагрузках.

Второе: суборбитальный путь лежит намного выше всех погодных явлений. Не нужно обходить грозовые массивы, увеличивая время полета, и добавочно расходовать топливо. Впрочем, это верно и для гиперзвуковых высот.

Третье: баллистический полет пройдет выше границ национальных воздушных пространств. Ему не нужны разрешения стран, как и спутникам, идущим на этих же высотах.

Наконец, четвертое: суборбитальная горка в разы быстрее обычного авиаперелета. Ее короткое время будет, возможно, главным преимуществом.

Чем обеспечить быстроту

Именно высокая скорость сделает реальной суборбитальную горку — вернее, сформирует ее вместе с тяготением. Как уже отмечено, сверхзвука недостаточно. Тут потребуется гиперзвуковая скорость, и для больших дальностей не нижняя граница гиперзвука с М=5, а значение М побольше. Для экономичного полета на таком режиме нужны гиперзвуковые прямоточные воздушно-реактивные двигатели — ГПВРД. Мы рассказывали о них в прошлом выпуске в материале «Прямоточные двигатели будущего».

Их прогресс сегодня идет в ряде направлений. Одни связаны с физикой работы. Просчитываются двигатели с меняющей форму проточной частью. Они смогут подстраивать свою работу под разные режимы полета. Стабильность горения ищут в наклонной несильной детонационной волне, идущей от выступа на стенке канала. Положение такой волны в камере сгорания стабильно, а сжигание в ней горючего даст энергию для полета. Отметим и горение во вращающейся детонационной волне, и способы создания топливной смеси.

Вторая группа возможных прорывов лежит в управлении работой ГПВРД. Это мгновенное, без обычной для датчиков давления задержки получение данных из потока в двигателе. Оно использует оптический канал, анализ спектра излучения зоны горения или модуляцию лазерного луча, идущего через нее. Другая тема — верные прогнозы горения через текущие наблюдения. Для этого привлекают нейросетевые технологии обработки данных. Прогнозы позволяют быстрее реагировать, а значит, точнее управлять горением при обычных для ГПВРД неравновесных состояниях и большой доле переходных процессов.

Такие разработки приближают создание серийных ГПВРД и гиперзвуковых самолетов. С ними станет возможно не только гиперзвуковое движение в атмосфере, но и более сложно организованные формы полета.

Аэрокосмические покатушки

Гиперзвуковой самолет летит на высоте 35 км со скоростью М=10, около 3 км/с. Он пройдет 1000 км за пять с половиной минут, непрерывно сжигая топливо и испытывая комплексную нагрузку на конструкцию: тепловую, силовую и вибрационную. Глубоко внизу раскинулась атмосфера; ее погодные явления блестят снизу яркой белесой пленкой.

Аппарат мчится как стремительные сани по мягкому снегу, уплотняя его и опираясь на это уплотнение. И поэтому не проваливаясь в снег. Если снежинки заменить на молекулы газов атмосферы, картина будет той же. Гиперзвуковое сжатие снизу аппарата уплотняет встречный воздух и повышает его давление. На это уплотнение можно опереться. Сжатый воздух давит на аппарат снизу вверх, и в этом суть и природа гиперзвуковой подъемной силы.

Вместо того чтобы лететь так дальше, самолет задрал нос выше горизонта. Сжатие встречного потока усилилось выросшим углом атаки; давление вверх намного выросло. Оно увеличило вертикальную перегрузку и потащило самолет вверх. Перегрузка не более 3g переносилась без труда, будучи скорее развлечением, чем проблемой. Она давила недолго, секунд 15–20. Траектория за это время плавно задралась кверху, до крутизны 45° к горизонту.

Здесь путь самолета распрямился, наклонно и ровно уходя в черноту неба. Резко погасли огни сопел, словно звездочки форсажа истребителя в небе после взлета. Двигатели выключились, и самолет пошел вверх в свободном полете. Слабая продольная перегрузка торможения остатками атмосферы тянула от хвоста к кабине. К сотне километров высоты она незаметно перешла в невесомость.

Задрав путь на 45° к горизонту, самолет замедлил движение точки под собой на поверхности Земли. Пространственная скорость полета 3000 м/с отразилась на поверхности Земли с косинусом 45°, умножаясь на 0,71 и составляя 2130 м/с. Время перемещения на 1000 км по земной поверхности выросло до почти восьми минут.

И эти минуты не сжигали топлива и не нагружали самолет силами, нагревами и вибрациями. Постепенно «съелась» гравитацией вертикальная составляющая скорости, что означало выход в верхнюю точку огромной баллистической горки. В ней скорость самолета стала чисто горизонтальной, равняясь тем самым 2130 м/с. Низкоорбитальные спутники стремительно проносились сейчас лишь немного выше.

Гравитационное поле планеты, обнулив вертикальную скорость, с этого момента начало возвращать ее столько же, сколько брало. Поле не оставляет себе ничего от взятой скорости, в отличие от среды. Оно отдает обратно все, не зная потерь. Скорость росла по мере снижения, в конце горки вернувшись к почти исходному значению. Возможно, к 2600–2800 м/с, ведь остатки атмосферы внизу пути все равно проявились и забрали свою дань небольшим торможением.

Двигатели включились одновременно с началом выхода из наклонного пикирования. Запуск двигателя при входе в плотные слои воздуха с баллистической траектории не проблема. Не зря с него начинали еще на заре работ с ГПВРД на австралийском полигоне Вумера, делая первые запуски гиперзвукового двигателя в свободном вертикальном падении с космической высоты. Перегрузка снова не превысила дружелюбные 3g, выгибая пикирование до перехода в горизонтальный полет. Выйдя в горизонт, самолет на полной тяге двигателей разогнался до базовых 3000 м/с. Восстановив скорость, он пошел дальше, готовый к новому суборбитальному прыжку.

Пассажиры большой дуги

Ради самочувствия пассажиров перегрузку стоит ограничить значением 3–4 g и временем в 15–20 секунд. Физиологически действие такой перегрузки не будет трудным и не оставит последствий в организме здорового взрослого человека. Но она может задать ограничения для людей с нарушенным здоровьем.

Величину перегрузки можно снизить, растянув время ее действия. Тогда изгиб траектории будет более долгим и плавным. Здесь нужны расчеты по динамике полета и выбор решений из множества вариантов. Оптимизация перегрузки при входе в суборбитальную горку и выходе из нее будет многосторонним решением: и снижающим нагрузки на конструкцию (значит, требования прочности и массу самолета), и влияющим на допуск пассажиров к полетам по здоровью.

Важно будет и число суборбитальных горок за один полет, из которого определится количество воздействий перегрузки, по два раза за каждую дугу. А что если заменить последовательные горки одной общей? Для этого требуется еще большая скорость полета. Для дальности 2000 км нужна начальная скорость уровня 4 км/с, или М=13, а для 3000 км необходимо примерно 5,2 км/с, значение числа Маха приблизится к М=17.

Достичь таких значений числа Маха намного труднее, чем 10. Каждая добавочная единица М — это решение возросших трудностей управления двигателем, рост силовых и тепловых нагрузок на конструкцию самолета. А также и рост перегрузок на входе и выходе из горки, по силе или длительности. Высота горки начнет вторгаться в область низких орбит спутников с риском столкновений. Поэтому вероятнее серия суборбитальных горок в одном полете: то, что позволяет скорость 3000 м/с и перегрузка 3g.

Невесомость тоже не всегда подарок для пассажиров: головокружение и тошнота, прилив крови к голове, чувство падения в пропасть и переворота «вверх ногами», дискомфорт в желудке и кишечнике et cetera. Негативные ощущения развиваются индивидуально, с разной силой и на разных минутах невесомости; у одних их не будет, у других проявятся целым букетом. У автора при полетах на невесомость на пару десятков секунд дискомфорта не возникало. Но несколько минут могут сказаться плохо на ком-то из пассажиров.

К трудностям использования гигиенических пакетов в невесомости добавится дрейф всех незакрепленных предметов. Из карманов и незастегнутых сумочек может выплыть и улететь содержимое. Фиксация пассажиров в креслах будет дополняться невозможностью привычного пользования туалетом, даже если до него и удалось бы добраться. У невесомости больше специфических моментов, чем у перегрузки; и то и другое придется отрабатывать в подробных регламентах для пассажиров.

Военные задачи

На сочетании специальной аэродинамики самолета, гиперзвукового режима полета и баллистической траектории может возникнуть суборбитальная авиация. Ее самолеты будут летать по огромным горкам, используя их как базовую фигуру движения. Для чего может пригодиться такой формат полета? Скоростная доставка людей актуальна и в пассажирских перевозках, и при переброске военных. Возможно, потребуется и быстрая заброска срочных военных грузов.

В боевом отношении суборбитальные горки тоже интересны. Да, с постоянным сжиганием топлива в атмосферном гиперзвуковом полете прилететь можно в полтора раза быстрее, чем по высокой дуге. С другой стороны, падение к району цели с большой космической высоты затруднит перехват самолета в пути.

Большая экономия работы двигателя даст еще одно преимущество — выросшую в разы дальность при том же запасе топлива. Это очевидное преимущество важно для дальней и стратегической боевой авиации. А несколько суборбитальных горок позволят выполнить задачи в разных районах за один вылет.

Для боевой задачи важно еще одно свойство. Для баллистической ракеты, запускаемой на 1000 км, ошибка точки входа в атмосферу в 2–3 км критична: с таким отклонением цель не будет поражена. Гиперзвуковой самолет легко исправит такое географическое отклонение, накопившееся на суборбитальной горке. Для этого он выполнит не только разворот горки в горизонт, но и одновременный доворот по горизонту (по курсу) на цель. И следующая пара секунд полета приведет самолет в точку назначения.

Сегодняшние предпосылки

Предпосылки для суборбитальной авиации возникают уже сегодня. Техасская компания Venus Aerospacе проектирует пассажирский гиперзвуковой самолет Stargazer с перспективным ГПВРД VDR2 с вращающейся детонационной волной. По заявлениям компании, самолет сможет лететь со скоростью М=9. Это звучит весьма новаторски, и компания уже привлекла в проект около $53 млн.

А согласно британской Times, Управление гражданской авиации Великобритании изучает влияние суборбитальных полетов на организм человека. В публикации журнала Aerospace Medicine and Human Performance говорится, что большинство людей справятся с перегрузками во время суборбитальных полетов, хотя могут возникать «потенциально проблемные физиологические реакции».

«Коммерческие суборбитальные полеты теперь доступны для туризма и научных исследований. В конечном итоге ожидается, что они превратятся в чрезвычайно быстрые путешествия из точки старта в пункт назначения — например, из Лондона в Сидней менее чем за два часа»,— говорится в статье. Сегодня перелет из Лондона в Сидней занимает около 22 часов.

Доктор Райан Андертон, медицинский руководитель отдела космических полетов Управления гражданской авиации, заявил Times, что «это явно не научная фантастика и произойдет гораздо раньше, чем люди думают... определенно менее чем через десять лет». Не будем оценивать оптимизм срока в десять лет, но отметим, что пилотируемые суборбитальные кривые большой длины прорабатываются специалистами.

Формат полета в виде суборбитальных горок, описанный здесь, станет возможным с появлением мощных гиперзвуковых двигателей и самолетов на их основе. Если такие полеты станут типовыми для специализированных гиперзвуковых самолетов, можно говорить о появлении суборбитальной авиации. Ее преимущества не исчерпываются набором, затронутым в этой статье. Прочие возможности суборбитальной авиации будут зависеть от конструктивных схем самолетов и их конкретных характеристик. Сроки первых пассажирских полетов суборбитальной авиации вряд ли поддаются сегодня точному и верному прогнозированию. Но начало пути к ним уже пройдено.

Николай Цыгикало, академик Российской инженерной академии