Жайына бір рет ұшуға арналған ғарыш ұшағы - Skylon

Кіріспе

Бір сатылы орбиталық ғарыш ұшағы

Skylon – британдық Reaction Engines Limited (Reaction) компаниясының SABRE – біріктірілген циклды, ауамен жұмыс істейтін ракеталық қозғалтқыш жүйесін пайдалана отырып, қайта пайдалануға болатын бір сатылы орбиталық ғарыш ұшағының концепциялық жобалар сериясы. Көлік құралы сутегімен жұмыс істейтін ұшақ ретінде жобаланған, ол арнайы салынған, күшейтілген ұшу-қону жолағынан ұшып, атмосферадағы оттегіні пайдалана отырып, әдеттегі авиалайнерлермен салыстырғанда, жоғарыда 5.4 Мах жылдамдыққа дейін жеделдейді, содан кейін 400 км орбитаға жету үшін қажетті 25 Мах жылдамдыққа дейін үдеу үшін ішкі сұйық оттегін (LOX) пайдаланатын қозғалтқыштарға ауысады. Ол экваторлық төмен Жер орбитасына (LEO) жүк тасымалдай алады; Халықаралық ғарыш станциясына дейін – Еуропалық ғарыш агенттігінің автоматтандырылған тасымалдау көлігінің сыйымдылығынан шамамен 45% көп; немесе геосинхронды трансфер орбитасына (GTO) – SpaceX Falcon 9 ұшыру құралының қайта пайдалану режиміндегі сыйымдылығынан 24% астам.
Салыстырмалы түрде жеңіл көлік атмосфераға қайта кіріп, ұшу-қону жолағына қонады, қайта кіру кезіндегі жағдайлардан керамикалық матрицалық композиттік қабықпен қорғалады. Жерде тұрғанда, ол тексеруден өтеді және қажетті техникалық қызмет көрсетуден өтеді, бұл шамамен екі күнге созылады және әрбір көлік кем дегенде 200 орбиталық ұшуды орындай алады. Жоба бойынша жұмыс істеу барысында A4, C1, C2 және D1 сияқты бірнеше жобалық нұсқалар туралы ақпарат жарияланды. 2012 жылдың қарашасында негізгі технологияларды сынау сәтті аяқталды, бұл Skylon жобасына зерттеу кезеңінен даму кезеңіне өтуге мүмкіндік берді. Весткотта қозғалтқыш сынақ алаңының негізі салынды. Қазіргі жоспарлар бойынша, зауыт 2021 жылы аяқталады және алғашқы қозғалтқыш сынақтары басталады, ал 2025 жылға қарай SABRE қозғалтқыштары "гипердыбыстық сынақ орталығында" (HTB) ұшқышсыз сынақ ұшуларын жүзеге асыруы мүмкін. Теориялық есептеулерде, осылайша LEO-ға тасымалданатын жүк килограмына (кг) шығын қазіргі £1,108/кг (2015 жылғы мәліметтер бойынша), зерттеулер мен әзірлемелерді қоса алғанда, шамамен £650/кг (718.16 АҚШ доллары/кг) дейін төмендеуі күтілуде, ал бастапқы шығындар өтелгеннен кейін шығындар уақыт өте келе одан да көп төмендеуі мүмкін. 2004 жылы әзірлеушілер Skylon C1 бағдарламасының жалпы өмірлік құны шамамен 12 миллиард долларға жетеді деп бағалаған. Осы қаржыландыруға қатысты келісімшарттар 2015 жылы қол қойылды.

Skylon is a series of concept designs for a reusable single stage to orbit spaceplane by the British company Reaction Engines Limited (Reaction), using SABRE, a combined cycle, air breathing rocket propulsion system. The vehicle design is for a hydrogen fuelled aircraft that would take off from a specially built reinforced runway, and accelerate to Mach 5.4 at altitude (compared to typical airliner's ) using the atmosphere's oxygen before switching the engines to use the internal liquid oxygen (LOX) supply to accelerate to the Mach 25 necessary to reach a 400 km orbit. It would carry of cargo to an equatorial low Earth orbit (LEO); up to to the International Space Station, almost 45% more than the capacity of the European Space Agency's Automated Transfer Vehicle; or to Geosynchronous Transfer Orbit (GTO), over 24% more than SpaceX Falcon 9 launch vehicle in reusable mode
The relatively light vehicle would re enter the atmosphere and land on a runway, being protected from the conditions of re entry by a ceramic matrix composite skin. When on the ground, it would undergo inspection and necessary maintenance, with a turnaround time of approximately two days, and be able to complete at least 200 orbital flights per vehicle. As work on the project has progressed, information has been published on a number of design versions, including A4, C1, C2, and D1. Testing of the key technologies was successfully completed in November 2012, allowing Skylon's design to advance from its research phase to a development phase. , the groundworks for an engine test facility have been completed at Westcott. Current plans are for the plant to be completed and the first ground based engine tests to begin in 2021, and SABRE engines could be performing uncrewed test flights in a "hypersonic testbed" (HTB) by 2025. In paper studies, the cost per kilogram (kg) of payload carried to LEO in this way is hoped to be reduced from the current £1,108/kg (as of 2015), including research and development, to around £650/kg (718.16USD/Kg), with costs expected to fall much more over time after initial expenditures have amortised. In 2004, the developer estimated the total lifetime cost of the Skylon C1 programme to be about $12 billion. contracts for this funding were signed in 2015.

Бастапқы және алғашқы еңбектері

Skylon өзінің бастауын HOTOL деп аталатын, орбитаға бір сатылы (SSTO) ғарыш ұшағын жобалауды көздеген бұрынғы ғарыш бағдарламасының аясында алады. 1982 жылы бірнеше британдық компания HOTOL жобасымен жұмыс бастаған кезде, қайта пайдалануға болатын ұшыру жүйелерін әзірлеу және өндіруге зор халықаралық қызығушылық болды, бұл жүйелердің ең танымалсы – NASA-ның ғарыш шаттлы болды. British Aerospace және Rolls Royce компанияларымен бірлесіп, британ үкіметі оны жетілдіруге 2 миллион фунт стерлинг көмектесті, нәтижесінде үміттендіретін жоба пайда болды; британдық инженер Алан Бонд HOTOL жобасындағы инженерлердің бірі болды. HOTOL жобасының тоқтатылуынан кейін, 1989 жылы Алан Бонд, Джон Скотт Скотт және Ричард Варвилл жеке қаржыландыру көмегімен өмірге қабілетті ғарыш ұшағы мен оған байланысты технологияны әзірлеу мақсатында Reaction Engines Limited деген жеке компания құруға шешім қабылдады.

Жобаның қысқаша мазмұны

Skylon жобасы HOTOL бағдарламасымен салыстырғанда бірнеше айқын айырмашылықтарға ие. HOTOL салмақты үнемдеу мақсатымен зымыран шанасынан ұшырылатын болса, Skylon стандартты қысылатын шассимен жабдықталады. SABRE қозғалтқышын пайдаланатын жаңартылған қозғалтқыш дизайны, бұрынғысына қарағанда жоғары тиімділікке ие болады деп күтілуде. HOTOL-дің арт жағында орналасқан қозғалтқышы көліктің ұшу кезіндегі тұрақтылығының нашар болуына себеп болды; осы мәселені шешуге жасалған алғашқы тырастықтар HOTOL-дің жүк көтеру қабілетінің көп бөлігінен айырды, бұл жобаның жалпы сәтсіздігіне әкелді. Skylon бұл мәселені шешу үшін қозғалтқыштарды қанаттарының ұштарына орналастырды, осылайша оларды көліктің бойлық массалық орталығына жақындатып, тұрақсыздық мәселесін жойды. Reaction ақырында коммерциялық пайда табу мақсатымен жұмыс істеуді көздейді, даму аяқталғаннан кейін, көптеген халықаралық клиенттерге Skylon көліктерін өндіріп, олар өздерінің автопарктерін тікелей басқарады, ал Reaction қолдау көрсетеді. Қызмет ету кезеңінде Skylon спутниктерді ұшыру құнын төмендетуге мүмкіндік береді, Reaction Ұлыбритания Парламентіне ұсынған мәліметтерге сәйкес, бұл құн шамамен 650 фунт стерлинг/кг шамасында болады деп күтілуде; 2011 жылғы мәліметтер бойынша, дәстүрлі әдістермен ұшырудың орташа құны шамамен 15,000 фунт стерлинг/кг еді. Reaction сонымен қатар Skylon-ды ғарыштағы күн энергиясы спутниктері желісі үшін ұшыру платформасы ретінде пайдалану мүмкіндігін зерттеді, бұл жоғары ұшыру құнына байланысты бұрын мүмкін емес еді.

Қаржыландыру

2011 жылдың маусым айында Reaction компаниясы операциялық конфигурацияға жету үшін 12 миллиард доллар қажет екенін бағалаған, бұл қаржыландыруға байланысты 2020 жылға дейін қол жеткізілуі мүмкін еді. Skylon бағдарламасына қосымша қаржыландыру алу Ұлыбритания үкіметі үшін жиі қиындық тудырды. 2000 жылы Reaction британ үкіметінен қаржыландыру сұранысын жолдады, бірақ ол сәтсіз аяқталды; үкімет мәлімдемесіне сәйкес, Reaction ұсынысы инвестицияға әлеуетті үлкен қайтаруды қамтитын. Дегенмен, бірнеше шенеунік Skylon бағдарламасын ресми түрде қолдау көрсетіп, оны жақтады. 2009 жылы Ұлыбританияның ғылым және инновация министрі лорд Дрейсон Reaction туралы: «Бұл британдық компанияның болашақ ғарыш саласына үлкен әсер ететін, әлемдік деңгейдегі технологияны дамытатынының мысалы» деді. «Технологиялық демонстрация бағдарламасы» деп аталатын бастама шамамен 2,5 жылға жоспарланған, оның аясында ЕКА 1 миллион еуро көлемінде қосымша қаржыландыру қарастырылды. 2009 жылғы келісім Reaction компаниясына EADS-қа тиесілі Astrium, Бристоль университеті және Германияның ғарыш агенттігі (DLR) сияқты бірнеше сыртқы компанияларды қосымша даму жұмыстарына тартуға мүмкіндік берді. 2012 жылы Ұлыбритания ғарыш агенттігінің мәліметінше, кемелерді дамыту және құрылыс үшін қажетті қаржыландыру әлі толыққанды қамтамасыз етілмеген; осы себепті зерттеу және даму жұмыстары негізінен қозғалтқыштарға бағытталды, бұл ESA грантымен 1 миллион еуроға қол жеткізілді. 2011 жылдың қаңтар айында Reaction компаниясы Skylon жобасына қосымша қаржы сұранысын Ұлыбритания үкіметіне ұсынды. 2011 жылы Skylon тақырыбында сөйлеген Ұлыбританияның университеттер және ғылым жөніндегі мемлекеттік министрі Дэвид Уиллеттс: «Еуропалық ғарыш агенттігі Ұлыбританияның үлесінен Skylon үшін концепциялық жұмысты қаржыландырып отыр. Бұл жұмыс жобаның негізін құрайтын озық британдық қозғалтқыш технологиясының тиімділігін көрсетуге бағытталған. Алғашқы жұмыс 2011 жылдың ортасында аяқталады және сынақ сәтті аяқталса, біз өнеркәсіппен бірлесіп келесі қадамдарды қарастырамыз. Грант Reaction компаниясының өндірістік серіктесі болуына байланысты. Бірінші грант – 50 миллион фунт стерлингтің мақұлдануы 2015 жылдың тамызында Еуропалық комиссиямен расталды. 2015 жылдың қазан айында британдық қорғаныс конгломераты BAE Systems Reaction Engines компаниясымен келісім жасады, оның аясында ол Reaction компаниясына 20,6 миллион фунт стерлинг инвестициялайды, бұл компанияның акционерлік капиталының 20% -ын сатып алуға, сондай-ақ SABRE қозғалтқышын дамытуға көмек көрсетуге мүмкіндік береді. 2016 жылдың шілдесінде ЕКА 10 миллион фунт стерлингтік екінші грантты мақұлдады. 2017 жылдың 25 қыркүйегінде АҚШ қорғаныс ғылыми-зерттеу жобалары агенттігі (DARPA) Reaction Engines компаниясына HTX деп аталатын алдын ала салқындатқыштың жоғары температурадағы ауа ағынын сынау үшін белгілі бір сомада келісімшарт бергені хабарланды. Сынақ жұмыстары 2018 жылы басталуы жоспарланған. 2018 жылдың сәуірінде Reaction Engines компаниясы Boeing және Rolls Royce компанияларының SABRE қозғалтқышын дамытуға BAE Systems компаниясына инвестор ретінде қосылатынын жариялады. Жаңа қаржыландырудың жалпы сомасы 37,5 миллион долларды құрайды, оның ішінде Baillie Gifford Asset Management және Woodford Investment Management компанияларының үлесі де бар.

Speaking in June 2011, Reaction estimated that it would require ultimately $12 billion to achieve an operational configuration, which was then estimated to be achieved around 2020, dependent on funding. The obtaining of additional financing for the Skylon programme from the British government has often been difficult. During 2000, Reaction issued an ultimately unsuccessful request for funding from the British government; according to the government, Reaction's proposal had involved an offer of a potentially large return on its investment. However, several officials have emerged as proponents and advocated for the official backing of the Skylon programme. Speaking in 2009, the former UK Minister for Science and Innovation, Lord Drayson, stated of Reaction: "This is an example of a British company developing world beating technology with exciting consequences for the future of space." The initiative, known as the Technology Demonstration Programme, was scheduled to last approximately 2.5 years, during which further financing in the form of €1 million was made available by ESA. The 2009 agreement allowed Reaction to involve several external companies, including EADS owned Astrium, the University of Bristol and the German Aerospace Center (DLR), in further development work. By 2012, according to the UK Space Agency, the funding required to develop and construct the entire craft has not yet been secured; as such, research and development work was at that point mainly focused on the engines alone, which was supported by an ESA grant of €1 million. In January 2011, Reaction submitted a proposal to the British Government requesting additional funding for the Skylon project. Speaking on the topic of Skylon in 2011, David Willetts, the UK Minister of State for Universities and Science, stated:
blockquote|The European Space Agency is funding proof of concept work for Skylon from UK contributions. This work is focusing on demonstrating the viability of the advanced British engine technology that would underpin the project. Initial work will be completed in mid 2011 and if the trial is successful, we will work with industry to consider next steps. The grant was contingent upon Reaction having an industrial partner. The first grant of £50 million was approved by the European Commission in August 2015. In October 2015, British defence conglomerate BAE Systems entered into an agreement with Reaction Engines, under which it would invest £20.6 million in Reaction to acquire 20% of its share capital, as well as to provide assistance in the development of the SABRE engine. In July 2016, the second grant of £10 million was approved by ESA. On 25 September 2017 it was announced that the U. S. Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) had awarded a contract to Reaction Engines for an undisclosed amount to conduct high temperature airflow testing at a Colorado, United States site of a Reaction Engines precooler called HTX. Testing work is scheduled to start in 2018. In April 2018, Reaction Engines announced Boeing and Rolls Royce would be joining BAE Systems as investors in the development of the SABRE engine. A total of $37.5 million of new funding is to be provided including contributions from Baillie Gifford Asset Management and Woodford Investment Management.

Даму

2000 жылы фирма Бристоль университетімен бірлесіп прекулерді сынақтан өткізді. 2007 жылдан 2009 жылға дейін Reaction Бристоль университетімен және Airborne Engineering компаниясымен бірге STERN (Статикалық сынақ кеңейту/бұрылыс зымыран соқпасы) жобасы бойынша жұмыс істеді. Бұл жоба Reaction компаниясының қозғалтқышты тұтандыру жүйесін, Reaction компаниясы жасаған ауамен дем алатын сутекті зымыран қозғалтқышын сынап көрді, сондай-ақ Dr. Neil Taylor-дың кеңейту-бұрылыс соқпасының дизайны арқылы Airborne Engineering компаниясы жүргізген бірнеше сынақ атулар барысында ағынның тұрақтылығы мен мінез-құлқына зерттеме жасады. Кеңейту-бұрылыс соқпасы атмосфералық ұшу кезінде биіктік көтерілгендегі ауа қысымының өзгеруін өтеуге қабілетті, осылайша үлкен итермелеу күшін және тиімділікті қамтамасыз етеді. Қозғалтқыш прекулерының статикалық сынақтары 2011 жылдың маусым айында басталды, бұл Skylon даму бағдарламасының 3-ші кезеңінің басталуын білдірді. 2012 жылдың сәуірінде Reaction компаниясы прекулер сынақ бағдарламасының алғашқы сериясы сәтті аяқталғанын хабарлады. 2012 жылдың 10 шілдесінде Reaction компаниясы үш сериялық сынақтың екіншісі де сәтті аяқталғанын, ал сынақ құрылғылары 150 °C (238 °F) температурада сынақ жүргізуге мүмкіндік беретіндей жаңартылғаннан кейін келесі айда сынақтың соңғы сериясы басталатынын мәлімдеді. ESA-ның (Еуропа Ғарыш агенттігі) қозғалтқыш бөлімі 2012 жылдың ортасында прекулер сынақтарын тексерді және нәтижелерді қанағаттанарлық деп таныды. 2011 жылдың 9 мамырында Reaction компаниясы Skylon-ның өндіріске дайындалған прототипі 2016 жылға дейін ұша алатынын мәлімдеді, ал ұсынылған бағыт – Француз Гвианасындағы Куру қаласының жанындағы Гвиана ғарыш орталығы мен Швецияның солтүстігінде орналасқан Солтүстік Еуропа ғарыш сынақ полигоны арасындағы суборбитальді (жер бетінен орбитаға шықпайтын) ұшу болады. 2011–2013 жылдар аралығында, консорциум құрылған кезде, алдын ала тапсырыстар күтілуде. 2012 жылдың қарашасында Reaction компаниясы SABRE қозғалтқышының сынақ стендін әзірлеу және құрастыру үшін үш жарым жылдық жобаны бастайтынын хабарлады, бұл қозғалтқыштың ауамен дем алатын және зымырандық режимдеріндегі өнімділігін дәлелдеуге бағытталған.

Шолу

Skylon – толық қайта пайдалануға болатын, орбитаға кезеңсіз шыға алатын SSTO аппараты, негізінен қайта пайдалануға болатын ұшыру жүйесі ретінде қолданылуға арналған. SSTO тәсілін жақтаушылар жиі кезеңдік ұшырудың күрделілігіне байланысты туындайтын бірқатар қиындықтар мен мәселелер бар екенін айтады, мысалы, көптеген элементтерді қалпына келтіру және қайта пайдалану қиын немесе көбінесе мүмкін емес, сондықтан жаңа ұшыру құралдарын жасауға зор шығын жұмсалады; демек, олар SSTO жобалары ғарышқа ұшу құнының жоғарылығын төмендетуге мүмкіндік береді деп санайды. Жұмыс істеу режимінде, ұшқышсыз Skylon арнайы күшейтілген ұшу-қону жолағынан ұшып, дәстүрлі ұшақ сияқты биіктікке көтеріледі және дыбыс жылдамдығынан бес есе артық жылдамдықпен (5 Мах-тан жоғары) өрлейді, шамамен 28042 метр (92000 фут) биіктікке жетеді, онда жүктер әдетте атмосфераға қайта кіргенге дейін ұшырылады, содан кейін аппарат салыстырмалы түрде жұмсақ қону жасап, ұшу-қону жолағына қонады. Reaction компаниясының техникалық директоры Ричард Варвилл компанияның нарығы туралы: «Біз бір рет қолданылатын ракеталармен, яғни бір рет пайдаланылатын машиналармен бәсекелесеміз» деді. SABRE қозғалтқышының дизайны STRICT/STERN эксперименталдық қозғалтқыштарының негізінде жасалған, олар отын және сынақтан өткен кеңею бұрылыс соплосы сияқты көптеген ерекшеліктерді бөліседі, сондай-ақ сұйық ауа циклдық қозғалтқыштар (LACE) саласындағы зерттеулерге негізделген. Биіктік артқан сайын ауа кіреберісі жабылады және қозғалтқыш орбиталық жылдамдыққа жеткенше өте тиімді ракета ретінде жұмыс істейді. 5.5 Мах жылдамдыққа дейін ауамен дем алатын реактивтік қозғалтқышты пайдалану көптеген инженерлік мәселелерді тудырады; басқа конструкторлар ұсынған бірнеше бұрынғы қозғалтқыштар реактивтік қозғалтқыштар ретінде жақсы жұмыс істеді, бірақ ракета ретінде нашар өнім көрсетті. Skylon корпусы кремний карбидімен күшейтілген титаннан жасалған кеңірдек болады деп күтілуде, ол алюминийден жасалған жанармай бактерілерінің салмағын ұстап тұрады және керамикалық қабық оған бекітіледі. Жылу оқшаулағышы ретінде титан фольгасының бірнеше қабаттары қабық пен кеңірдек арасына орналастырылған. Ал, кішкентай ғарыш айлағының алдыңғы жиегі қатты қыздырылғандықтан, өте ыстыққа төзімді, бірақ нәзік кремнийлі жылу қорғау жүйесі қолданылды. Skylon дизайнына мұндай тәсіл қажет емес, керісінше, әлдеқайда жұқарақ, бірақ берік күшейтілген керамикалық қабықты пайдалану көзделеді; ол тасталып кетеді. Бұл мүмкіндік C1 үлгісінде енгізілген кезде тежегіштердің салмағы шамадан тыс азайтылды.

The Skylon is a fully reusable SSTO vehicle, able to achieve orbit without staging, which is intended to be used principally as a reusable launch system. Proponents of the SSTO approach have often claimed that staging involves a number of inherent complications and problems due to complexity, such as being difficult or typically impossible to recover and reuse most elements, thus unavoidably incurring great expense to produce entirely new launch vehicles instead; therefore, they believe that SSTO designs hold the promise of providing a reduction to the high cost of space flights. Operationally, it is envisioned for the non crewed Skylon to take off from a specially strengthened runway, gain altitude in a fashion akin to a conventional aeroplane and perform an ascent at very high speeds, in excess of five times the speed of sound , to attain a peak air breathing altitude of roughly 92,000 feet (28042 m), where payloads would typically be launched prior to the vehicle's re entry into the atmosphere, upon which it will conduct a relatively gentle descent before performing a traditional landing upon a runway. Richard Varvill, technical director at Reaction, stated of Reaction's market: "we're competing with expendable rockets, a machine that is only used once". The design of the SABRE engine has drawn heavily upon the STRICT/STERN experimental engines, sharing many features such as the propellant and the adoption of the trialled Expansion Deflection Nozzle, as well as building upon the wider field of liquid air cycle engines (LACE). altitude, beyond which the air inlet closes and the engine operates as a highly efficient rocket to orbital speed. Operating an air breathing jet engine at velocities of up to Mach 5.5 poses numerous engineering problems; several previous engines proposed by other designers have worked well as jet engines, but performed poorly as rockets. The fuselage of the Skylon is expected to be a silicon carbide reinforced titanium space frame; a light and strong structure that supports the weight of the aluminium fuel tanks and to which the ceramic skin is attached. Multiple layers of titanium foil thermal insulation are sandwiched between the skin and frame In contrast, the smaller Space Shuttle was heated to on its leading edge, and so employed an extremely heat resistant but fragile silica thermal protection system. The Skylon design does not require such an approach, instead opting for using a far thinner yet durable reinforced ceramic skin; would be jettisoned. When this feature was introduced in the C1 model of the design the weight of the brakes was reduced from around .

Қолдау құралдары

Ұшу үшін арнайы ұшу-қону жолағы қажет болады: ол жоғары бір дөңгелекті жүктемеге төтеп беру үшін нығайтылуы керек, бұл Skylon-ның 325 тонналық ұшу салмағымен шартталған. Оның ұшып көтерілу кезіндегі бастапқы бөлігінде және айналу аймағында жылуға төзімді бөлімдер болуы керек, сондай-ақ Skylon-ның айналу жылдамдығына жете алуы үшін ұзын болуы керек, бірақ қажет болған жағдайда ұшыруды тоқтатып, тоқтауға дайын болуы тиіс. Шамамен 20,000 футқа (6,096 метр) жуық ұзындығымен, бұл әлемдегі ең ұзын тас төселген ұшу-қону жолағы болады. Skylon F класты азаматтық ұшу-қону жолағына қонуға қабілетті. Жерде тұрғанда, ол тексеруден өтеді және қажетті техникалық қызмет көрсетуден өтеді, бұл шамамен екі күнге созылады, ал әрбір көлік кем дегенде 200 орбиталық ұшуды орындай алады.