Skylon - британский двигатель-гибрид для ракетоплана

Очевидно, что современные атмосферные двигатели, равно как и прямоточные ракетные, нуждаются в конструктивных изменениях схемы работы, чтобы соответствовать новым запросам. Отсюда и проистекают постоянные поиски нового в области фундаментальной науки - от мифических квантовых до детонационных.

Особняком на этом фоне стоит британский проект SABRE, hypersponic precooled hybrid synergetic air-breathing rocket engine (турборакетный прямоточный двигатель), разработки совсем не гражданской фирмы Reactions Engines Ltd (едва ли не контрольный пакет оказался в руках оборонной BAE Systems). Это КБ решило дать свой, весьма оригинальный ответ на необходимость сделать новый шаг в области суборбитальных полётов путём создания собственной силовой установки для SSTO, одноступенчатого многоразового воздушно-космического аппарата. Так появился двигатель Skylon.

Что такое двигатель Skylon?

Сразу оговоримся, что его ни в коем случае нельзя считать преемником неэффективного проекта (LACE, Liquid Air Cycle Engine), который работал по принципу получения чистого кислорода путём его сепарации от азота. Тот агрегат был громоздок и малоэффективен. Хотя, конечно, идея криогенного теплообменника была всё-таки позаимствована у свёрнутой разработки.

Концепция Skylon весьма... своеобразна, ведь в нём используются сразу три вида газа - кислород, гелий и водород. До 5 Махов (т. е. переход на гиперзвук) двигатель работает в обычном атмосферном режиме.

Для этого ему нужен кислород, который поступает от набегающего воздушного потока. При помощи компрессора газ нагнетается в камеру сгорания, предварительно охлаждаясь за нанодоли секунды до температуры в 140-150 градусов. Причём при входе в осесимметричный воздухозаборник с двухскачковой системой торможения температура воздушного потока крайне велика. Мгновенное охлаждение происходит за счёт многих километров трубок с циркулирующим в них водородом. Это интересная особенность данного агрегата. На создание компактного изделия, занимающего ровно столько же места, сколько обычный двухступенчатый двигатель F135 с форсажной камерой, ушло не менее 15 лет! Зато Skylon может, в отличие от ракеты, быть максимально компактным и улучшить тяговооружённость аж до 14 единиц (для сравнения, у Су-57 она - 1,38, у Dassault Rafale - 1,02). Дело в том, что летательному аппарату не нужно тащить с собой большие запасы топлива, так как разгон происходит за счёт атмосферного кислорода. Кстати, лопатки компрессора охлаждает тот же водород, а турбину крутит гелий.

В этой связи двигатель имеет хороший удельный импульс, сравнимый с обычными атмосферниками и в разы превосходящий своих ракетных собратьев. Британское министерство обороны сочло разработку достаточно перспективной, чтобы закупить крупный пакет акций компании через BAE Systems и начать строительство стенда в графстве Бакингемшир. Проявляют интерес к проекту и американцы: оборонная контора DARPA уже подключилась к стендовым испытаниям и финансирует ещё один испытательный комплекс у себя дома.

Но у Skylon всё же показатели отнюдь не лучше водородного двигателя, уже разработанного в России и Европе, а взрывоопасность (жидкие кислород и водород) превышает допустимые величины для создания оборонного проекта. Кроме того, в водородном двигателе используется только чистый водород, а у Skylon - целых три различных газа. Но ведь чем сложнее конструкция, тем она более уязвима.

Есть ли альтернатива британскому кислородному двигателю?

Естественной альтернативой британскому проекту может служить инновационный «чистый» водородный двигатель. Вообще тема развития, как её нередко называют, «криогенной» энергетики, стала фактически магистральным путём для совместных усилий фундаментальной европейской и российской науки, объединивших свои усилия в проекте Седьмой Рамочной программы научных исследований и технологического развития Европейского Союза High Speed Experimental Fly Vehicles. Это так называемый проект Hexafly-Int (расчётная крейсерская скорость -  до 7-8 Махов). Россию в нём представляют ЦАГИ, ЛИИ им. М. М. Громова, ФАЛТ МФТИ и, наконец, ЦИАМ им. П. И. Баранова. При этом программу чисто российско-европейской даже и не назовёшь, так как наряду с ONERA (Франция), VKI (Бельгия), CIRA, TSD, MAT (Италия), GDL (Великобритания), DLR (Германия), ESA (Нидерланды), в ней участвуют такие «киты» планетарного масштаба родом из Австралии, как USQ, UNSW и UsyD.

И все они, заметьте, считают водород фактически безальтернативным относительно других возможных видов топлива. Возможно, это сопряжено с элементарным знанием простейших для инженеров истин. Дело в том, что при сгорании водород выделяет в три раза больше энергии, чем альтернативный источник энергии. То есть удельная энергия сгорания водорода приблизительно равна 140 Мдж/кг. Для сравнения: у метана соответствующий показатель не превышает и 50 Мдж/кг.

Для понимания выкладок можно обратиться к уже как-то раз разобранному для широкой публики наглядному примеру. Так, удельный расход керосина для Boeing 787 Dreamliner, вылетевшего из Москвы и направляющегося в Сидней (Австралия), составит 2,5 литра на 100 километров в расчёте на   1 пассажироместо. У гиперзвукового водородного самолёта этот показатель чуть выше - 3,23 кг/100 км/пасс, но при этом «водородному» самолёту потребуется не более трёх часов, а не нынешние 10-12, причём без промежуточной посадки. Полёт обойдётся в 181 тонну водорода, который вполне можно хранить не во взрывоопасном виде, а в химически связанном состоянии, например, в безопасной форме гидридов интерметаллидов, как на немецких субмаринах    U-212.

Справка

Пожалуй, что так называемой точкой бифуркации, то есть тем моментом, когда наша родина выбрала именно это направление для приоритетной разработки, можно считать 6 марта 1979 года. В тот день Комиссия Президиума Совета министров СССР по военно-промышленным вопросам одобрила комплексный план НИР по применению криогенного топлива для авиационных двигателей. Тогда же было решено искать наиболее эффективные способы производства криогенного топлива (не электролиз), и акцептовано направление исследований для выхода на водородный гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель.

Любопытно, что к теме многофакторного сотрудничества с россиянами в области создания атмосферного/суборбитального ракетоплана нового поколения ЕС подходила очень неторопливо. Достаточно хотя бы вспомнить весьма удачную разработку немецкого космического концерна DLR (Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt e.V.), запустившего программу Flyer Rex Free (срок оперативной активности - 2020 г.). В рамках этого проекта DLR создал  экспериментальный летательный аппарат Sharp Edge Flight Experiment - SHEFEX (I и II) и отправил его в космос с норвежского ракетного полигона на острове Андойа. Теперь немцы дружно трудятся в единой «упряжке» с другими европейцами, а также россиянами и австралийцами, ставя на крыло суборбитальный ракетоплан многоразового использования на водородной тяге.

Кстати, именно в текущем - 2019-м году  российские и европейские ученые собираются провести лётный эксперимент в Бразилии.

В то же время, помимо россиян и европейцев, те же японцы избрали именно водородную энергетику и криогенное топливо в качестве основы своего дальнейшего продвижения вперёд в области двигателе- и самолётостроения. Тут достаточно вспомнить принятый правительством Страны восходящего солнца в июне 2014 года новый курс: Токио заявил, что намерен «строить общество, основанное на водороде».

Почему британцы отдали предпочтение кислородному ГПВРД

Ответ кроется в истории проекта. Вспомним, что создавался он на основе американской программы Х-20 шестидесятых годов прошлого столетия. В те годы Россия тоже попробовала свои силы в проекте «Спираль», но в результате пришла к утверждению «водородного» направления. А у США и Великобритании элементарно не хватило знаний, причём как в области двигателестроения, так и материаловедения (необходимо было создать соответствующие сплавы, способные выдерживать сверхвысокие температуры).

Напомним, что британский проект HOTOL (Horizontal Take-Off and Landing) «родился» аж в 1981 году, и он просто не мог не нести в себе родовые черты заокеанского Х-20. Уже тогда говорили о разработке концепции жидкостного кислородного двигателя-гибрида, способного использовать до 5 Махов воздушно-реактивный режим, а потом переходить в ракетный. Но Rolls-Royce не сумел справиться со всеми вызовами, вставшими в полный рост перед исследователями.

В те годы британцы предпочли запросить помощи у... советских собратьев!!! Напомним, что в мире царила «холодная война». Непонятно, о чём думало руководство СССР тех лет, однако проект был всё же одобрен Кремлём в 1988 году.

«Бондиана» в двигателестроении

Далее всё превращается в авантюрный роман: в 1989 году, после того как жидкостный ГПВРД был признан бесперспективным, ведущий инженер Алан Бонд увольняется с предприятия. Совместно с двумя другими выходцами из КБ Rolls-Royce он создаёт новую фирму частного права, назвав её Reaction Engines. По сути Бонд со товарищи доразрабатывали старые заделы, что и неудивительно: трудно двигать фундаментальную мегазатратную большую науку силами трёх человек, пусть и обладающих большим опытом.

Разумеется, морально устаревший проект, поднятый на щит британской «оборонкой», не в состоянии конкурировать с гиперзвуковыми двигателями на водородной тяге.

Всем же тем, кто вечно обвиняет Россию в том, что она стремится в будущее, не доводя до дела некоторые современные возможности, достаточно напомнить о создании советского ядерного энергетического сектора. Всё делалось после Великой Отечественной, в условиях голода и жесточайшей разрухи. Но где бы сейчас была Россия без своего ядерного щита и едва ли не лучшей в мире ядерной энергетики (пальму первенства с нами делит только Франция, остальные - далеко позади). Впрочем, скорее всего, заказные аргументы оппонентов водорода относятся не просто к категории проплаченных, но и откровенно вредных антигосударственных.