Введение

Одноступенчатый космический самолет Skylon – это серия концептуальных проектов многоразового одноступенчатого космического самолета, разработанных британской компанией Reaction Engines Limited (Reaction) с использованием SABRE – воздушно-реактивной ракетной двигательной установки комбинированного цикла. Конструкция аппарата предназначена для самолета, работающего на водороде, который будет взлетать со специально построенной усиленной взлетно-посадочной полосы и разгоняться до скорости 5,4 Маха на высоте (по сравнению с обычными авиалайнерами), используя кислород из атмосферы, прежде чем переключить двигатели на использование боргового жидкого кислорода (LOX) для разгона до скорости 25 Махов, необходимой для выхода на орбиту высотой 400 км. Он сможет доставлять грузы на экваториальную низкую околоземную орбиту (LEO), до Международной космической станции – почти на 45% больше, чем вместимость автоматического транспортного корабля Европейского космического агентства, или на геосинхронную переходную орбиту (GTO) – более чем на 24% больше, чем ракета-носитель SpaceX Falcon 9 в многоразовом режиме. Относительно легкий аппарат сможет повторно входить в атмосферу и совершать посадку на взлетно-посадочную полосу, защищенный от условий повторного входа теплозащитным покрытием из керамического матричного композита. На земле он будет проходить осмотр и необходимое техническое обслуживание, с временем подготовки около двух дней, и сможет совершить не менее 200 орбитальных полетов. По мере продвижения работы над проектом была опубликована информация о различных конструкторских версиях, включая A4, C1, C2 и D1. Испытания ключевых технологий были успешно завершены в ноябре 2012 года, что позволило проекту Skylon перейти от фазы исследований к фазе разработки. В Уэсткотте завершены работы по подготовке фундамента для двигательного испытательного стенда. В настоящее время планируется завершить строительство стенда и начать первые наземные испытания двигателей в 2021 году, а двигатели SABRE могут выполнять беспилотные испытательные полеты на "гиперзвуковой испытательной платформе" (HTB) к 2025 году. Согласно расчетам, стоимость вывода одного килограмма полезной нагрузки на LEO таким способом может быть снижена с нынешних £1108/кг (по состоянию на 2015 год), включая затраты на исследования и разработки, до примерно £650/кг (718,16 USD/кг), при этом ожидается дальнейшее снижение стоимости после амортизации первоначальных вложений. В 2004 году разработчик оценил общую стоимость программы Skylon C1 в 12 миллиардов долларов США. Контракты на финансирование были подписаны в 2015 году.

История и первые работы

Skylon берет свое начало в предыдущей космической программе разработки перспективного одноступенчатого космического самолета (SSTO), известного как HOTOL. В 1982 году, когда несколько британских компаний приступили к работе над HOTOL, существовал значительный международный интерес к разработке и производству работоспособных многоразовых ракетно-космических систем, наиболее известным примером которых был космический шаттл NASA. Совместно с British Aerospace и Rolls Royce был создан перспективный проект, на доработку которого британское правительство выделило 2 миллиона фунтов стерлингов; британский инженер Алан Бонд был одним из инженеров, участвовавших в разработке HOTOL. После срыва проекта HOTOL в 1989 году Алан Бонд, вместе с Джоном Скоттом Скоттом и Ричардом Варвиллем решили основать собственную компанию Reaction Engines Limited для продолжения разработки жизнеспособного космического самолета и сопутствующих технологий, используя частное финансирование.

Конкретные сведения о проекте

Конструкция Skylon имеет несколько существенных отличий от более ранней программы HOTOL. В то время как HOTOL предполагалось запускать с ракетных саней для снижения веса, Skylon будет оснащен обычной убирающейся шасси. Ожидается, что усовершенствованная конструкция двигателя, использующая двигатель SABRE, обеспечит более высокую производительность по сравнению с предшественником. Расположение двигателей в задней части HOTOL приводило к присущей ему плохой устойчивости в полете; ранние попытки решить эту проблему приводили к снижению полезной нагрузки HOTOL, что, в свою очередь, способствовало неудаче всего проекта. Решением Skylon стало размещение двигателей на концах крыльев, что позволило расположить их дальше вперед и значительно ближе к продольному центру масс аппарата, тем самым устранив проблему неустойчивости. Компания Reaction планирует в конечном итоге работать как коммерческое предприятие, ориентированное на получение прибыли, которое после завершения разработки будет производить аппараты Skylon для многочисленных международных заказчиков, которые будут самостоятельно управлять своими парками, получая при этом поддержку от Reaction. В процессе эксплуатации Skylon потенциально может снизить стоимость запуска спутников, которая, согласно данным, представленным Reaction в парламент Великобритании, прогнозируется на уровне около 650 фунтов стерлингов за килограмм; по состоянию на 2011 год средняя стоимость запуска традиционными методами оценивалась примерно в 15 000 фунтов стерлингов за килограмм. Reaction также провела внутренние исследования по использованию Skylon в качестве стартовой площадки для сети космических спутников солнечной энергетики, которые ранее были невозможны из-за высоких затрат на запуск.

Финансирование

Выступая в июне 2011 года, Reaction оценил, что для достижения оперативной готовности потребуется в конечном итоге 12 миллиардов долларов, что, по оценкам, будет достигнуто примерно к 2020 году, в зависимости от финансирования. Получение дополнительного финансирования для программы Skylon от британского правительства часто было затруднено. В 2000 году Reaction направил в британское правительство запрос на финансирование, который в конечном итоге оказался безуспешным; по словам представителей правительства, предложение Reaction включало возможность получения значительной прибыли от инвестиций. Однако ряд должностных лиц выступили сторонниками и отстаивали официальную поддержку программы Skylon. Выступая в 2009 году, бывший министр науки и инноваций Великобритании лорд Дрейсон заявил о Reaction: "Это пример британской компании, разрабатывающей передовые технологии мирового уровня, которые откроют захватывающие перспективы для будущего космоса". Инициатива, известная как Программа демонстрации технологий, должна была продлиться около 2,5 лет, в течение которых ЕКА предоставило дополнительное финансирование в размере 1 миллиона евро. Соглашение, заключенное в 2009 году, позволило Reaction привлечь к дальнейшей разработке несколько внешних компаний, включая Astrium, принадлежащую EADS, Бристольский университет и Немецкий аэрокосмический центр (DLR). К 2012 году, по данным Космического агентства Великобритании, финансирование, необходимое для разработки и строительства всего аппарата, еще не было обеспечено; в связи с этим научно-исследовательские работы были в основном сосредоточены исключительно на двигателях, которые поддерживались грантом ЕКА в размере 1 миллиона евро. В январе 2011 года Reaction представил правительству Великобритании предложение о дополнительном финансировании проекта Skylon. Выступая по теме Skylon в 2011 году, Дэвид Уиллеттс, государственный министр Великобритании по делам университетов и науки, заявил: blockquote "Европейское космическое агентство финансирует работы по подтверждению концепции Skylon за счет взносов Великобритании. Эти работы направлены на демонстрацию жизнеспособности передовой британской двигательной технологии, которая станет основой проекта. Первоначальные работы будут завершены в середине 2011 года, и в случае успеха испытаний мы будем сотрудничать с промышленностью для рассмотрения дальнейших шагов. Предоставление гранта было обусловлено наличием у Reaction промышленного партнера. Первый грант в размере 50 миллионов фунтов стерлингов был одобрен Европейской комиссией в августе 2015 года. В октябре 2015 года британский оборонный концерн BAE Systems заключил соглашение с Reaction Engines, в рамках которого он инвестировал 20,6 миллиона фунтов стерлингов в Reaction для приобретения 20% ее акционерного капитала, а также для оказания содействия в разработке двигателя SABRE. В июле 2016 года ЕКА одобрило второй грант в размере 10 миллионов фунтов стерлингов. 25 сентября 2017 года было объявлено, что Агентство передовых исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) заключило контракт с Reaction Engines на неопределенную сумму для проведения испытаний воздушного потока при высоких температурах на полигоне в Колорадо, США, с использованием прекулера Reaction Engines под названием HTX. Начало испытательных работ запланировано на 2018 год. В апреле 2018 года Reaction Engines объявила, что Boeing и Rolls Royce присоединятся к BAE Systems в качестве инвесторов в разработку двигателя SABRE. Всего будет предоставлено 37,5 миллиона долларов нового финансирования, включая взносы от Baillie Gifford Asset Management и Woodford Investment Management.

Разработка

В 2000 году компания завершила работы с Бристольским университетом по тестированию прекурсора. С 2007 по 2009 год Reaction сотрудничала с Бристольским университетом и Airborne Engineering в рамках проекта STERN (Static Test Expansion/Deflection Rocket Nozzle), который тестировал систему зажигания двигателя Reaction, разработанный Reaction воздушно-реактивный водородный ракетный двигатель, и исследовал устойчивость и поведение потока с использованием конструкции расширяющего/отклоняющего сопла доктора Нила Тейлора посредством серии испытательных запусков, проведенных Airborne Engineering. Расширяющее/отклоняющее сопло способно компенсировать изменение окружающего давления при наборе высоты в ходе атмосферного полета, тем самым обеспечивая большую тягу и, следовательно, эффективность. Статическое тестирование прекурсора двигателя началось в июне 2011 года, что ознаменовало начало третьего этапа программы разработки Skylon. В апреле 2012 года Reaction объявила об успешном завершении первой серии программы испытаний прекурсора. 10 июля 2012 года Reaction объявила об успешном завершении второй из трех серий испытаний, а последняя серия должна была начаться в следующем месяце после модернизации испытательных стендов для проведения испытаний при температуре 150 °C (238 °F). В середине 2012 года подразделение двигательных установок ESA провело аудит испытаний прекурсора и признало результаты удовлетворительными. 9 мая 2011 года Reaction заявила, что опытный образец Skylon, предназначенный для предсерийного производства, может быть испытан в полете к 2016 году, а предлагаемый маршрут – суборбитальный перелет между Космическим центром Гвианы вблизи Куру (Французская Гвиана) и Североевропейским аэрокосмическим испытательным полигоном, расположенным на севере Швеции. Ожидается, что предварительные заказы начнут поступать в период с 2011 по 2013 год, одновременно с формированием производственного консорциума. В ноябре 2012 года Reaction объявила о начале трех с половиной летнего проекта по разработке и строительству испытательного стенда двигателя SABRE для подтверждения его характеристик как в воздушно-реактивном, так и в ракетном режимах.

Обзор

Skylon – полностью многоразовый аппарат SSTO, способный выходить на орбиту без ступеней, предназначенный главным образом для использования в качестве многоразовой системы запуска. Сторонники концепции SSTO часто утверждают, что ступенчатость сопряжена с рядом неотъемлемых сложностей и проблем из-за своей конструктивной сложности, таких как трудность или, как правило, невозможность восстановления и повторного использования большинства элементов, что неизбежно влечет за собой значительные затраты на производство совершенно новых ракет-носителей; поэтому они полагают, что конструкции SSTO обещают снизить высокую стоимость космических полетов. Предполагается, что беспилотный Skylon будет взлетать с особенно прочной взлетно-посадочной полосы, набирать высоту подобно обычному самолету и выполнять набор высоты на очень высоких скоростях, превышающих пять скоростей звука, чтобы достичь максимальной высоты, на которой возможно прямоточное реактивное движение, примерно в 92 000 футов (28042 м), где обычно будут выводиться полезные нагрузки перед повторным входом аппарата в атмосферу, после чего он совершит относительно мягкий спуск и выполнит традиционную посадку на взлетно-посадочную полосу. Ричард Варвилл, технический директор Reaction, о рынке Reaction заявил: «Мы конкурируем с одноразовыми ракетами, машинами, которые используются только один раз». Конструкция двигателя SABRE во многом опирается на экспериментальные двигатели STRICT/STERN, имеющие множество общих черт, таких как рабочее тело и использование испытанного сопла с отклонением расширения, а также развивает область двигателей с жидковоздушным циклом (LACE). высота, после которой воздухозаборник закрывается, и двигатель работает как высокоэффективная ракета для достижения орбитальной скорости. Эксплуатация воздушно-реактивного двигателя на скоростях до 5,5 Маха создает множество инженерных проблем; несколько предыдущих двигателей, предложенных другими конструкторами, хорошо работали как реактивные двигатели, но показали плохие результаты как ракеты. Ожидается, что фюзеляж Skylon будет представлять собой титановый каркас, усиленный карбидом кремния – легкую и прочную конструкцию, поддерживающую вес алюминиевых топливных баков и к которой крепится керамическая обшивка. Между обшивкой и каркасом расположены несколько слоев теплоизоляции из титановой фольги. В отличие от него, меньший космический челнок нагревался до высоких температур на передней кромке и поэтому использовал чрезвычайно жаропрочную, но хрупкую систему тепловой защиты на основе диоксида кремния. Конструкция Skylon не требует такого подхода, вместо этого выбирая гораздо более тонкую, но прочную армированную керамическую обшивку; будет сброшена. Когда эта особенность была внедрена в модель C1 конструкции, вес тормозов был уменьшен с примерно .

Поддерживающие средства

Для запуска потребуется специальная взлетно-посадочная полоса: она должна быть усилена, чтобы выдерживать высокую эквивалентную нагрузку от одного колеса, обусловленную взлетной массой Skylon в 325 тонн. Полоса должна иметь жаропрочные участки в начале разбега и в зоне отрыва, а также быть достаточно длинной, чтобы Skylon мог разогнаться до скорости отрыва, при этом сохраняя возможность прервать взлет и затормозить до полной остановки, если это потребуется. На высоте почти 20 000 футов это будет самая длинная асфальтированная взлетно-посадочная полоса в мире. Skylon сможет совершать посадку на взлетно-посадочную полосу, соответствующую классу F гражданской авиации. На земле он будет подвергаться осмотру и необходимому техническому обслуживанию, время подготовки к повторному вылету составит около двух дней, и каждый аппарат сможет совершить не менее 200 орбитальных полетов.