Вчені розроблять рельсотрону катапульту для запуску гіперзвукових космопланів
Китайські вчені досягли певних успіхів у розробці теорій, матеріалів, технологій та процесів, які обіцяють кардинально змінити аерокосмічну область і не тільки. Йдеться про гіперзвуковий транспорт, який на початковому етапі може використовувати електромагнітне прискорення. Технологія також може знайти втілення в гіперлупі — гіперзвукових поїздах у вакуумних тунелях.
Зараз у Китаї є низка експериментальних рішень, що створюють основу для моделювання та дослідів. Як повідомляється в нещодавно опублікованій статті в журналі Acta Aeronautica, що рецензується, процеси розгону і відділення повітряного судна від рельсотронної катапульти були досліджені в аеродинамічній трубі і піддані аналізу на комп’ютері. Розробники проекту наголошують, що їм невідомо про проведення подібних робіт у США чи інших країнах. Тим часом аналіз процесів у момент відокремлення літака від гіперзвукової катапульти є одним із найважливіших у процесі запуску.
На авіаносцях ВМФ США для запуску літаків використовуються парові катапульти. При спробі перейти на електромагнітні катапульти інженери зіштовхнулися із труднощами. Зокрема електромагнітні катапульти отримали авіаносці типу «Джеральд Р. Форд». Повідомляється, що у них досить велика частота відмов. Ще раніше NASA відмовилося від проекту розробки електромагнітної катапульти для заміни першого ступеня ракет. Тоді вважалося, що для цього необхідно розігнати другий ступінь до швидкості 700 км/год. Після роботи над аналогічним проектом у Китаї вчені дійшли висновку, що для відмови від першого ступеня космоліт доведеться розганяти до вищої швидкості.
У 2016 році в Китаї почали розробляти проект «Тен’юнь» — це багаторазова аерокосмічна платформа з гіперзвуковим розгонником та космольотом. Як варіант, розглядається можливість розгону 50-тонного космольоту на гігантській електромагнітній стартовій трасі, яка додасть судну швидкість до 1,6 Маха (1960 км/год). Після відокремлення від катапульти космоплан запускає свої двигуни і розганяється до швидкості, що семиразово перевищує швидкість звуку. Тим самим буде досягатись колосальна економія на паливі.
Момент відділення 50 машини розмірами більше лайнера Boeing 737 буде критичним для системи і саме йому присвячені численні експерименти в аеродинамічній трубі. Як з’ясували вчені, при подоланні космопланом звукового бар’єра на катапульті між літаком та землею запускається каскад ударних хвиль. Нижня частина апарату починає відчувати численні ударні навантаження через відбиття ударних хвиль від близької поверхні землі. Ці ударні хвилі порушують повітряний потік, створюючи вогнища повітряного потоку дозвукової швидкості між апаратом, електромагнітними санками і треком.
Коли санки досягають заданої швидкості, вони різко зупиняються і відбувається відділення космоплана. Хаотичний потік повітря спочатку підтримує апарат, але через чотири секунди, як показало випробування в аеродинамічній трубі, потік зривається в тягу. Для гіпотетичних пасажирів судна та екіпажу в цей момент виникла б короткочасна невагомість. Але в міру збільшення відстані між літаком та злітною смугою інтенсивність повітряного потоку зменшується, поки повністю не зникне. До цього моменту двигуни літака повинні досягти необхідної тяги і створити умови для набору висоти.
Моделювання показало, що конструкція космоплана вимагає посилення в місцях найбільш сильно схильних до аеродинамічних ударів. Але загалом цей підхід визнаний безпечним і здійсненним, як написали вчені у своїй статті. Очевидно, що запропонований підхід перевірятимуть на практиці. Для цього вже збудовано дві експериментальні траси. Траси, що показово, побудовані не тільки й не так для аерокосмічного проекту, а для розробки поїздів на магнітній подушці. Одна з них — 2 км вакуумна труба в промисловому центрі Датун, провінція Шаньсі, побудована Китайською корпорацією аерокосмічної науки і промисловості (CASIC), дозволить розганяти маглеви в трубі з низьким вакуумом до 100 км/год. У перспективі довжина труби досягне 60 км, якою можна буде розганяти поїзд до 5000 км/год. На трасі перевірятимуться можливості електромагнітного розгону, управління та іншого, що також знайде застосування в катапультах для космічних запусків.
Аналогічний майданчик також створили у Цзінані, столиці східної провінції Шаньдун, там проводяться схожі експерименти із надшвидкісними електромагнітними санями під наглядом Академії наук Китаю (CAS). Нарешті, у Китаї також створюються звичайні бойові рельсотрони , якщо слово «звичайні» застосовується до подібних проектів.
Все разом означає, що Китай поступово розвиває матеріально-технічну базу, яка в перспективі може зробити революцію у сфері запусків у космос. Якщо рейковий прискорювач і гіперзвуковий космоплан стануть реальністю, то ціна доставки кожного кілограма корисного навантаження на орбіту буде істотно дешевшою за $100 (до $60 і навіть менше).
