В еще советском журнале “Техника молодежи” N1 за 1967г. был опубликован очерк инженера С. Житомирского под названием “На пороге космоса. Ракета в стволе пневматической пушки”. В этом очерке предлагается опускать ракету в шахту глубиной в пятьсот метров. За счет энергии сжатого воздуха, хранящегося в огромном резервуаре, ракета разгоняется до скорости звука и вылетает из шахты. Максимальное ускорение в этом разгоне достигает двадцатикратного ускорения свободного падения на поверхности земли. Эта пневматическая пушка предназначена для запуска полезных грузов на космическую орбиту, но для космонавтов она непригодна. Максимальное давление в стволе пушки при запуске ракеты всего сорок атмосфер. Ракета, вылетевшая из ствола, разгоняется первой ступенью за счет ПВРД. По мнению автора, использование в качестве окислителя воздуха, черпаемого из атмосферы, позволит уменьшить стартовую массу ракеты на сорок процентов.

Прошло почти полвека с тех времен, почему же до их пор не используется столь прекрасная идея пневматической пушки? Причин здесь несколько. Применять пневматическую пушку с точки зрения экономичного полета очень невыгодно. Воздух необходимо сжимать мощными компрессорами, а на этот процесс затрачивается огромная мощность. Гораздо экономичнее использовать этот воздух для создания в стволе пушки пара высокого давления. Подобные разгонные устройства успешно применяются в качестве катапульты на авианосцах. Палубный самолет разгоняется на участке в сто метров до скорости, приближающейся к 350 километров в час. Этого вполне достаточно для взлета самолета на такой короткой взлетной полосе. Самолет массой в десятки тонн разгоняется давлением пара, который давит на поршень, движущийся в цилиндре.

Для тяжелых грузов этот стартовый комплекс совершенно не предназначен. Дело в том, что все типы воздушно-реактивных двигателей черпают воздух из разреженной атмосферы. Плотность воздуха слишком мала, чтобы получить достаточную удельную тягу для разгона корабля массой 300 тонн (так указано в очерке – авт.). Удельная тяга ЖРД примерно в 100 раз больше, чем у ВРД. Там кислород в баках находится в жидком состоянии, а его плотность намного превосходит плотность воздуха в атмосфере. Это, пожалуй, основная трудность, которую необходимо преодолеть при создании подобных аппаратов. С помощью воздушно-реактивных двигателей можно запускать грузы в космос, но это должны быть крупногабаритные изделия, обладающие небольшим весом. Например, пустые блоки космических станций, или отсек с космонавтами, где большую часть объема занимает воздух.

На высоких скоростях полета, приближающихся к 20 скоростям звука, камера сгорания прямоточного двигателя должна быть слишком длинной, чтобы топливо успело сгореть в ней. Хотя конструкция ГПВРД очень простая, большая его длина увеличивает вес и габариты всей системы. Для доставки тяжелых грузов на орбиту земли необходимо применять в качестве первой разгонной ступени пороховые ускорители. Эти ступени на невысоких скоростях полета совсем мало уступают ЖРД. К тому же они просты по устройству и могут длительно храниться без применения криогенной техники. Они в два раза дешевле, чем ЖРД, поэтому успешно применяются в качестве разгонных ступеней на современных ракетах. Более того, пороховые ускорители могут содержать в себе большую часть массы всей ракеты.

На фиг.1 изображен реактивный гиперзвуковой снаряд, находящийся в стволе пушки. Пунктирными линиями 9 показано входное устройство, которое раскрывается после прекращения работы твердотопливного ускорителя.

На фиг.2 показан снаряд, летящий на тяге прямоточного двигателя со сверхзвуковым горением топлива.

1 – полезная нагрузка гиперзвукового реактивного снаряда.

2 – топливные баки с горючим и окислителем, в нижней части отсека расположены реактивные двигатели.

3 – створки, перекрывающие входное устройство комбинированного двигателя.

5 – твердотопливный ускоритель.

6 – топливный бак  воздушно-реактивного двигателя.

7 – створки для переключения с одного режима работы двигателя на другой.

8 – герметичная крышка, закрывающая воздушно-реактивный двигатель и твердотопливный ускоритель. При выходе снаряда из ствола эта крышка сбрасывается на землю.

9 – створки входного устройства, раскрывающиеся после окончания работы твердотопливного ускорителя.

10 – створки входного устройства, раскрытые на максимальную величину при полете снаряда в разреженных слоях атмосферы.

11 – входное устройство, образованное створками при сверхзвуковом горении топлива в плотных слоях атмосферы.

12 – сверхзвуковое сопло твердотопливного ускорителя.

14 – положение створок сопла при сверхзвуковом горении топлива.

15 – входное устройство, образованное створками при сверхзвуковом горении топлива в разреженной атмосфере.

16 – отсек для парашютов.

17 – камера сверхзвукового горения топлива.

18 – расширяющееся сопло при сверхзвуковом горении топлива.

В предлагаемом варианте снаряд разгоняется воздушно-реактивным двигателем только на сверхзвуковом режиме горения. Этот режим наступает при скорости в 7-8 чисел М. Для того, чтобы пороховой ускоритель не получился чрезмерно большим, снаряд в стволе пушки желательно разгонять до 3-6 чисел М. Это примерно 1-2 километра в секунду. При такой скорости вылета снаряда из ствола пушки возникает взрывная волна огромной силы. Если ствол пушки поднять на высоту в 10-11 километров, то взрывная волна будет не опасна для человека. Сооружать такую высокую башню слишком дорого, достаточно будет высоты при современном уровне техники 4 километра. Еще на 2 километра можно опуститься под землю.

В итоге получается разгонный участок в шесть километров. Для запуска космонавтов скорость вылета снаряда из ствола пушки необходимо ограничить 3 М. Для грузовых запусков скорость вылета  может быть повышена в 1,5-2 раза. Для разгона снаряда необходима огромная мощность пара, которую нужно создать при выстреле пушки. Это обеспечивается за счет бинарного термодинамического цикла, описанного в предыдущей статье. Снаряд вылетает из пушки, но его скорости недостаточно для работы воздушно-реактивного двигателя, поэтому снаряд продолжает разгон за счет твердотопливного ускорителя. После того, как полностью отработает твердотопливный ускоритель, снаряд получит нужную скорость полета и раскроются створки прямоточного двигателя.

На определенной высоте снаряд движется за счет окислителя, черпаемого из атмосферы. Полет проходит почти горизонтально с плавным набором высоты. После того, как отработал твердотопливный ускоритель, масса ракеты значительно уменьшилась, поэтому достаточно тяги, создаваемой воздушно реактивным двигателем. Твердотопливный ускоритель занимает весь внутренний пустой объем воздушно-реактивного двигателя. Такая компоновка позволяет уменьшить до минимума габариты снаряда и получить хорошую динамику в полете. За счет воздушно-реактивного двигателя снаряд увеличивает свою скорость почти на 10 М, а это более 3 километров в секунду. Набрав большую высоту, снаряд попадает в очень разреженные слои атмосферы, поэтому створки заборного устройства раскрываются на максимальную величину.

При скорости в 18 М топливо не успевает сгорать в сверхзвуковой камере сгорания, поэтому воздушно-реактивный двигатель прекращает работу и отсоединяется от снаряда. Раскрываются парашюты, за счет которых двигатель плавно приземляется в заданном районе, а снаряд за счет включения ЖРД разгоняется еще примерно на 2 километра в секунду и с первой космической скоростью выходит на орбиту. Дальнейшее движение снаряда зависит от той орбиты, куда необходимо доставить груз. Стоимость доставляемого на орбиту груза снизится более чем в два раза, но строительство пушки значительно дороже современных стартовых комплексов. За счет скорострельности стрельбы и большого количества запусков комплекс окупится всего за несколько лет.

Н.Т.Бобоед

г. Жодино