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

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.

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.

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.

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.

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…

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.