Услышав слово «космолёт», многие из нас сразу представляют футуристичного гиганта из научной фантастики, бороздящего межзвездные пространства. Но реальные орбитальные планеры совсем не похожи на образы из книг и фильмов, хотя от этого они не становятся менее удивительными. В этой статье мы разберемся, что на самом деле представляют собой настоящие космические лайнеры, как работают, какие модели летают сегодня и что ждет их в будущем.
Что такое космолёт: определение и основные характеристики
Космолёт (или воздушно-космический самолёт, англ. spaceplane) — это уникальный гибрид авиационной и космической техники, функционирующий как в безвоздушном пространстве, так и в плотных слоях земной оболочки. В отличие от классических спускаемых капсул (таких как «Союз» или Dragon), которые при возвращении следуют по баллистической траектории без возможности маневрирования, орбитальные планеры используют несущие поверхности для управляемого полёта и выполняют горизонтальную посадку на ВПП — совсем как обычные лайнеры.
Чем отличаются эти необычные машины:
- Двойная среда полёта — могут работать и в космосе, и в атмосфере
- Управляемый полёт — в воздухе маневрируют с помощью крыльев, рулей и других аэродинамических поверхностей
- Посадка по-самолётному — приземляются на ВПП, а не падают на парашюте или в океан
- Многоразовость — после полёта их можно отремонтировать и запустить снова
Правда, важно понимать, что современные космолёты не могут сами взлететь с Земли и выйти на орбиту без помощи ракет. Просто оторваться от полосы и напрямую полететь в космос им не под силу. С точки зрения физики, воздушно-космические аппараты работают на стыке двух миров: законы аэродинамики управляют ими в атмосфере, а законы орбитальной механики — в космосе. Когда космолёт возвращается на Землю и врезается в воздух на скорости около 28 000 км/ч (это примерно в 23 раза быстрее звука!), его корпус разогревается до невероятных 1500°C и выше. Чтобы не сгореть, аппарат защищают специальными жаропрочными материалами — керамическими плитками и углеродными композитами на самых горячих участках. Форма корпуса создаёт подъёмную силу, позволяя маневрировать даже в очень разреженном воздухе, что делает посадку намного точнее, чем у капсул. А в полной пустоте космоса для поворотов и изменения орбиты используют небольшие ракетные двигатели.
История развития космолётов
Идея создания летательных аппаратов, способных функционировать как в атмосфере, так и в космосе, появилась ещё на заре космической эры. Инженеры и учёные понимали, что традиционные капсулы обеспечивают ограниченные возможности для возвращения с орбиты, поэтому начали разрабатывать альтернативные концепции.
Первые серьёзные разработки в этом направлении начались в конце 1950-х с проекта North American X-15. Этот экспериментальный ракетоплан, хотя и не являлся полноценным орбитальным аппаратом, стал важнейшей испытательной платформой для будущих технологий. X-15 достиг невероятной скорости в 7274 км/ч (Мах 6,7) и поднялся на высоту 107,8 км, официально преодолев границу между воздушным и безвоздушным пространством по американским стандартам (80 км). Пилоты машины, включая Нила Армстронга, будущего покорителя Луны, выполнили 199 вылетов, собрав бесценные данные о материалах, системах управления и физиологических аспектах скоростных полётов.
Настоящий прорыв произошёл с созданием программы «Спейс Шаттл» (Space Shuttle) NASA, которая действовала с 1981 по 2011 год. Многоразовый транспортный космический корабль выполнял орбитальные полёты регулярно. Он запускался в космос с помощью ракетных ускорителей и внешнего топливного бака, а возвращался на Землю как планер, приземляясь на взлётно-посадочную полосу.
Параллельно с американской программой в Советском Союзе разрабатывался легендарный «Буран», который внешне был очень похож на «Спейс Шаттл», но имел ряд технических отличий, включая возможность полностью автоматического приземления. К сожалению, «Буран» совершил всего один беспилотный полёт в 1988 году, после чего программа была свёрнута из-за экономических трудностей и последующего распада СССР.
С момента прекращения эксплуатации «Спейс Шаттлов» в 2011 году, пилотируемые крылатые машины перестали летать на орбиту. Это положение сохраняется и сейчас — единственным действующим представителем данного класса остаётся беспилотный X-37B, выполняющий засекреченные военные задачи. Доставка экипажей на околоземную орбиту производится исключительно на капсульных транспортных средствах — российских «Союзах», американских Dragon от SpaceX и Starliner от Boeing. Однако ряд компаний, включая Sierra Space с проектом Dream Chaser, активно работает над возвращением пилотируемых крылатых кораблей в космическую программу в обозримом будущем.
X-37B: секретный орбитальный аппарат Космических сил США
X-37B — это беспилотный экспериментальный корабль, который создали для Военно-воздушных сил США (а потом передали Космическим силам). Внешне он похож на маленькую копию «Спейс Шаттла» и умеет оставаться на орбите невероятно долго — от нескольких месяцев до нескольких лет — прежде чем вернуться на Землю.
Чем интересен этот аппарат:
- Летает полностью автоматически, без экипажа
- Держит рекорд по длительности космического полёта (одна из миссий продлилась более 900 дней — это почти три года в космосе!)
- Может летать много раз с минимальным обслуживанием между полётами
- Компактный — всего 8,9 м в длину, 2,9 м в высоту и с размахом крыльев 4,5 м
- Оснащён ионными двигателями, которые позволяют ему эффективно маневрировать на орбите
- Имеет грузовой отсек размером с пикап, куда можно загрузить оборудование, а потом вернуть его на Землю
Чем именно занимается X-37B в космосе, мы точно не знаем — большинство его задач засекречены, поскольку это военный проект. Эксперты предполагают, что он может испытывать новые технологии, вести разведку, отрабатывать сложные маневры или даже проверять элементы космического оружия. Официально подтверждено лишь то, что на борту X-37B изучают, как долгое пребывание в космосе влияет на различные материалы и электронику, а также тестируют новые солнечные батареи и системы охлаждения.
Сегодня этот крылатый гигант — единственный действующий представитель своего класса.
Основные преимущества космолётов
Космолёты обладают особыми инженерными решениями, которые сильно отличают их от других космических кораблей. Главное их преимущество в том, что после полёта они могут точно приземлиться практически в заданной точке — нужна только подходящая взлётно-посадочная полоса.
Сама посадка такого аппарата — впечатляющее зрелище и настоящий технологический шедевр. Здесь сочетаются передовые материалы, высокоточная электроника и сложнейшие расчёты. Когда космолёт врезается в атмосферу на скорости около 28 000 км/ч, он использует форму своего корпуса, чтобы создать подъёмную силу и начать тормозить. Бортовой компьютер выполняет сложный танец в небе — меняет угол атаки, делает S-образные повороты, рассеивает энергию и точно выводит корабль на посадочную глиссаду. Этот подход совершенно не похож на то, как возвращаются капсулы — они просто летят по баллистической траектории и раскрывают парашюты в конце.
В современной космонавтике альтернативой космолётам служат капсульные корабли, вроде командного модуля «Аполлон», корабля NASA «Орион» или Dragon от SpaceX. Все они завершают полёт приводнением в океане, что делает возвращение менее точным и требует масштабных поисково-спасательных операций с участием кораблей и вертолётов.
Ещё одно важное достоинство космолётов — их многоразовость. В отличие от традиционных спускаемых капсул, основные узлы и агрегаты можно эксплуатировать многократно после необходимого техобслуживания. В теории это должно удешевлять доступ к орбите. Однако практика эксплуатации «Спейс Шаттлов» выявила, что их обслуживание и подготовка требует огромных ресурсов.
Среди интересных технических решений стоит отметить сложнейшую систему защиты от перегрева при входе в атмосферу. На «Спейс Шаттле» использовалось более 24 000 индивидуальных теплозащитных плиток, и каждая имела свой уникальный размер и форму. Эти плитки делали из особого силикатного материала, который выдерживал температуры выше 1200°C и при этом был настолько лёгким, что мог плавать на воде.
Исторические проекты
За последние семь десятилетий было предпринято множество попыток создания космолётов, с разной степенью успеха. Давайте посмотрим на самые известные модели.
North American X-15 (1959-1968)
X-15 можно считать предшественником современных космолётов. С 1959 по 1968 год, было выполнено 199 полётов, во время которых X-15 установил множество рекордов скорости и высоты. Самое его главное достижение - пересечение границы космоса. В ходе той легендарной миссии ученым удалось собрать много данных, которые впоследствии помогли в проектировании прототипов будущего.
X-15 не был полноценным космолётом, поскольку всё же не мог выходить на орбиту, но его вклад в развитие космолётостроения трудно переоценить. Кстати, именно на нём были отработаны многие технологии, которые позднее нашли применение в программе «Спейс Шаттл».
NASA Space Shuttle (1981-2011)
Космический корабль многоразового использования «Спейс Шаттл» стал первым полноценным космолётом, регулярно выполнявшим орбитальные полёты. Программа действовала с 1981 по 2011 год и включала пять космических кораблей: «Колумбия», «Челленджер», «Дискавери», «Атлантис» и «Индевор» (два из них, к сожалению, были потеряны в катастрофах).
Судно выводилось на орбиту с помощью двух твердотопливных ускорителей и внешнего топливного бака, а возвращалось на Землю в качестве планера. Программа была закрыта в 2011 году, не дождавшись преемника, поэтому до 2020 года американским астронавтам приходилось полагаться на российские космические корабли «Союз» для доступа к Международной космической станции. Позже эту роль не взял на себя SpaceX Crew Dragon - первый частный пилотируемый космический корабль.
Советский «Буран» (1988)
«Буран» внешне был очень похож на американский «Спейс Шаттл», но имел ряд существенных технических отличий. Одна из самых впечатляющих особенностей этой машины - полностью автоматическая посадка.
К сожалению, «Буран» совершил всего один беспилотный полёт 15 ноября 1988 года, после чего программа была свёрнута из-за экономических трудностей, связанных с распадом Советского Союза. Единственный летавший экземпляр «Бурана» был уничтожен при обрушении крыши монтажно-испытательного корпуса на Байконуре в 2002 году.
Космолёты в мире фантастики
В художественных мирах фантастики воздушно-космические корабли умеют гораздо больше, чем их реальные собратья. Главное отличие в том, что они, как правило, могут сами взлетать с планеты и уходить в космос без помощи дополнительных ракет или стартовых комплексов.
Во вселенной «Звёздных войн» таких кораблей не счесть — от знаменитого истребителя X-Wing до элегантного перехватчика Дельта-7B класса «Эфирный», на котором летал Оби-Ван Кеноби (хотя, согласитесь, это название звучит не так круто, как «X-Wing»).
Некоторые фантасты, даже не прибегая к магической антигравитации, стараются учитывать базовые законы физики и придумывают вспомогательные системы для запуска. Вместо громоздких ракет в их историях фигурируют изящные решения — электромагнитные рельсы, космические лифты или инерционные ускорители, которые выглядят как продвинутые версии трамплинов с современных авианосцев.
Любопытно, что дизайн вымышленных звездолётов сильно повлиял на то, как общество представляет космическую технику, и даже на дизайн реальных кораблей. Многие инженеры признаются, что в детстве вдохновлялись научно-фантастическими сагами — «Звёздными войнами», «Звёздным путём» или «Вавилоном-5».
Что будет дальше?
Среди конкретных проектов, которые могут определить будущее космолётов, можно выделить:
- Dream Chaser компании Sierra Nevada Corporation — многоразовый космический корабль, внешне напоминающий уменьшенную версию «Спейс Шаттла», который разрабатывается для доставки грузов и, в перспективе, экипажей на Международную космическую станцию.
- Проект Skylon британской компании Reaction Engines — амбициозная концепция одноступенчатого орбитального космолёта с революционным гибридным воздушно-реактивным/ракетным двигателем SABRE, который теоретически позволит аппарату взлетать с обычной взлётно-посадочной полосы и напрямую выходить на орбиту.
- Программа SpaceShipTwo компании Virgin Galactic — суборбитальный космический корабль для туристических полётов, который доставляется на высоту с помощью самолёта-носителя, а затем самостоятельно поднимается до границы космоса.
- Китайский проект космолёта, о котором известно относительно мало, но который, по имеющимся данным, активно развивается и может стать конкурентом для X-37B.
Преимущества космолётов перед традиционными космическими кораблями особенно важны для коммерческих операций, где точность, предсказуемость и многоразовость использования играют ключевую роль. Кроме того, возможность посадки на взлётно-посадочную полосу значительно упрощает логистику возвращения, по сравнению с приводнением в океане.
Возможно, в течение следующего столетия космолёты действительно станут важной частью нашей транспортной инфраструктуры, соединяя не только различные точки на Земле, но и обеспечивая регулярное сообщение с орбитальными станциями, лунными базами и, кто знает, может быть, даже с Марсом. В любом случае, история освоения космоса ещё только начинается, и самые захватывающие её главы ещё предстоит написать.
