Все мы время от времени летаем самолетами. И знаем, что полет проходит на высоте примерно 10 км со скоростью примерно 950 км/час. Эти параметры выбраны неслучайно. Именно на этой высоте достаточно кислорода для работы турбин и минимальное сопротивление воздуха. Лететь выше - движок задохнется (потолок для пассажирских экономичных турбин - 11-12 км), лететь ниже - расход топлива подскочит из-за сопротивления воздуха.
На местных авиалиниях эксплуатируют турбовинтовые самолеты. Там тоже турбина, но тягу создает не столько реактивная струя, сколько пропеллер. Для таких самолетов самая экономная высота - 7 км.
Собственно, на этих двух высотах все и летают. ВСЕ. Эшелоны вблизи 10 км забиты, на 7 км уже почти пусто. Ниже пусто вообще - настолько, что существует система "Открытое небо" для легких самолетов, где на высоте до 2 км можно лететь кто как хочет, система управления полетов не разрешительная а уведомительная. То есть не нужно разрешения диспетчера - достаточно его уведомить о полете.
Конечно, у военных разброс пошире. Истребители имеют потолок порядка 20 км, а самолеты-разведчики (типа легендарного SR-71) добираются до 26 км. Чтобы лететь на таких высотах, нужно развивать скорость в 3М (то есть три скорости звука). При этом двигатели дышат на пределе возможности, а элементы корпуса от трения воздуха разогреваются выше 300°С.
Выше 26 км можно поднятся только на аэростате - почти до 40 км. Но аэростат - даже не дирижабль, это игрушка, практическое применение его на таких высотах стремится к нулю. То есть человечество может летать вверх всего километров на 30 - а это у многих обычное расстояние по городу в цикле работа-дом.
Но ведь есть спутники, скажете вы.
Да, спутники есть. Но они летают очень высоко. Геостационарные - на высоте 36 тыс км, спутники GPS - 20 тыс.км. Очень низкоорбитальная станция МКС - чуть выше 400 км. Вообще, спутникам ниже 100 км опускаться нельзя - остатки атмосферы в течении нескольких дней или недель затормозят спутник и он сгорит в "плотных слоях атмосферы", которые, к слову, начинаются с 50-70 км.
Итак, что мы имеем. Человечество летает ниже 30 км и выше 100 км. То есть над землей есть огромный кусок неба, толщиной в 70 км, в котором мы летать не можем. Просто не умеем. Его каждый раз протыкают ракеты при выводе спутников - но очень быстро. Потому как "ни богу свечка, ни черту кочерга" - воздуха для двигателей и опоры крыльев там уже не хватает, но сгореть от трения в этом воздухе - как два пальца об асфальт.
Естественно, на такой пустой ломоть пространства заинтересовал военных.
Строились кучу гиперзвуковых аппаратов, типа американского X-51, двигатель которого в последний раз проработал аж 3 минуты (вместо запланированых пяти) и разогнал аппарат до 5М. Но эти все аппараты - они не в состоянии взлететь с аэродрома, они либо запускаются с высоколетящих самолетов, либо устанавливаются как нагрузка на ракетоноситель. У таких аппаратов прямоточный реактивный двигатель может запускаться на скоростях не меньше, чем 1.5М.
Несомненно, это очень интересно с точки зрения доставки водородной бомбы, потому что перехватить такой гиперзвуковой аппарат нечем абсолютно. Но других его использований нет.
Это несерьезно.
Человечеству нужен гиперзвуковой полет, желательно в районе 30М - это первая космическая скорость, достаточная для выхода на орбиту. И попытки построить орбитальный самолет продолжаются. Одна из последних - Skylon.
Главная проблема гиперзвукового полета - это не опора для крыльев. И не нехватка воздуха для двигателя. В конце концов, можно построить крупные воздухозаборники, которые будут разбивать гиперзвуковой поток на входе, собирать его и подавать в двигатель... А вот тут-то и лежит проблема!
Как известно, любой газ при сжимании нагревается. Мы все знаем, как греется велосипедный насос. В случае гиперзвукового самолета при сжатии разреженого воздуха с температурой -50°С, он разогревается примерно до 1000°С. Так как двигатель работает именно за счет разницы температур входящего и выходящего воздуха, то его КПД и тяга падают катастрофически. Двигатель просто "не тянет". Явление не новое - так же греется воздух в автомобилях с турбонаддувом и там существует специальное устройство - интеркулер, которое охлаждает воздух. Но как сделать интеркулер для самолета, с его гигантским количеством воздуха, проходящим через двигатель на бешеной скорости?
Собственно, именно такой двигатель и был придуман для Skylon, называется SABRE. Пока проект потихоньку обрастает железом, обещают к 2017 году не только полеты, но уже серийное производство.
Главное отличие SABRE от любого другого двигателя - такой движок работает на водороде. Сжиженый водород имеет температуру -140°С - и должен не только сжигаться в двигателе, но и через систему тонких трубочек должен за 0.01 секунды охладить входящий воздух с 1000°С до этих самых -140°С. Тонкие трубочки - это с диаметром 1 мм и с толщиной стенок меньше человеческого волоса. Для их изготовления пришлось изобретать новую технологию. Гланая проблема в этом случае - избегание намерзания водяного пара. Изобретатели двигателя хранят в секрете технологию ненамерзания, но испытание прототипа двигателя прошло - и прошло успешно.
Конечно, такой двигатель позволяет разогнаться только до 5.5М. Но после этого планируется построить чуть другой вариант, в котором воздухозаборник закрывается и вместо атмосферного воздуха в двигатель поступает кислород, запасенный в баках. И уже на таком принципе получается именно орбитальный самолет - аппарат, способный самостоятельно взлететь с аэродрома, подняться на орбиту и сесть в этом же аэродроме абсолютно по-самолетному.
Изобретатели Skylon уже подсчитали - при таком раскладе стоимость вывода килограмма груза на орбиту упадет с сегодняшних 10-14 тыс долларов прмерно до 500 долларов. Вот тогда-то все для человечества и начнется...
