Не секрет, что сегодня современные ракетные двигатели подошли к пределу своих возможностей. Их тяга по большому счёту не увеличивается уже давно, а самые мощные ракетные двигатели были созданы во второй половине ХХ века, и современные движки от них недалеко ушли. Ситуацию могут изменить так называемые клиновоздушные ракетные двигатели (КВРД).

Ракетный двигатель, «вывернутый наизнанку»

Клиновоздушный двигатель представляет собой версию ракетного двигателя, который «вывернули наизнанку». Струи раскаленного газа в нем обтекают специальную панель, оставаясь открытыми со всех остальных сторон.

Смысл клиновоздушной ракетной системы в том, чтобы использовать разницу в давлении воздуха на разных высотах для регулирования реактивной струи. В обычном двигателе ее параметры ограничены реактивным соплом.

Сопла КВРД представляют собой две соединённых с одной стороны половинки колокола. Вторая отсутствующая сторона сопла формируется набегающим потоком воздуха. Тем самым профиль сопла меняется, можно сказать, автоматически на всём протяжении полёта от уровня моря до вакуума, в среднем обеспечивая эффективную работу на всех высотах.

Клиновоздушные двигатели изучались на протяжении длительного времени в качестве основного варианта для одноступенчатых космических систем, то есть ракетных систем, использующих для доставки полезной нагрузки на орбиту только одну ступень.

Двигатель с таким типом сопла расходует на 25–30% меньше топлива на низких высотах, где, как правило, требуется наибольшая тяга.

КВРД разрабатывались еще в 50-е годы прошлого столетия. Их даже планировали устанавливать на американские шаттлы. Этот проект по ряду причин был не реализован, однако их история на этом не закончилась. Двадцатого сентября 2003 года объединённая команда Университета штата Калифорния в Лонг-Бич и компании Garvey Spacecraft Corporation успешно провела испытательный полет ракеты с КВРД в пустыне Мохаве.

В марте 2004 года были проведены два успешных испытания в Лётном исследовательском центре НАСА им. Драйдена (база Эдвардс, США) с малоразмерными твердотопливными ракетами с КВРД. Ракета Prospector-10 с десятикамерным КВРД была испытана 25 июня 2008 года.

Первый блин комом

Компания Polaris Raumflugzeuge примерно год назад заключила контракт с Федеральным ведомством по оборудованию, информационным технологиям и технической поддержке бундесвера (BAAINBw) на разработку и создание полномасштабного прототипа клиновоздушного ракетного двигателя.

Полёт немецкого демонстратора с четырьмя обычными турбореактивными двигателями и одним экспериментальным КВРД должен был стать первым в истории. Однако прототип в мае 2024 года даже не успел оторваться от взлётной полосы и запустить КВР-двигатель, как вильнул в сторону и под воздействием сильного бокового ветра опрокинулся и загорелся.

Создатели демонстратора настолько уверены в своем детище, которое не взлетело, что уже начали разработку двух новых демонстраторов, и они будут оснащены той же силовой установкой — четырьмя турбореактивными двигателями и одним КВРД. Размер аппаратов вырастет до пяти метров.

Адекватный ответ России

В России еще в октябре 2022 года испытали революционный клиновоздушный водородный двигатель для многоразовых одноступенчатых ракет-носителей.

Испытания прототипа прошли 7 октября на площадке АО «Научно-исследовательский институт машиностроения» в городе Нижняя Салда. Разрабатываемый жидкостный ракетный двигатель является частью проекта «Корона» по созданию ракеты многократного использования. Этот КВРД работает на топливной паре «кислород — водород», обеспечивающей максимальную энергетическую характеристику.

Топливная пара «кислород — водород» — это очень взрывоопасная смесь, мало кто в мире умеет работать с такими двигателями, однако только она обеспечит выполнение всех поставленных задач.

«За рубежом еще никогда не производился запуск демонстратора двигателя с охлаждаемым центральным телом на кислороде и водороде, поэтому можно сказать, что этот запуск первый в мире», — заявил Сергей Ваулин, проректор ЮУрГУ по научно-образовательным центрам и комплексам.

Испытанная установка-демонстратор состоит из 16 двигателей и системы управления с искусственным интеллектом. Разработка не имеет аналогов в мире. Благодаря усилиям ученых удалось уменьшить диаметр ракетного двигателя и снизить его массу. В планах — откалибровать все параметры установки и масштабировать ее до реальных размеров.

Итогом всех работ должна стать ракета многократного использования. Одноразовых деталей в ней не будет. Конструкция предусматривает одну ступень, то есть запуск будет происходить без отделения ступеней, как это происходит сейчас. Планируется — и есть техническая возможность — создать ракету для отправки грузов массой до колоссальных 300 тонн в космос.

Да, у КВРД есть свои недостатки. Это сложность конструкции, большой вес и перегрев. Однако быстро развивающиеся технологии позволят КВРД найти свое место в ракетостроении.

Успешные испытания прототипа клиновоздушного ракетного двигателя приближают появление российского многоразового носителя. Это будет прорыв в космической отрасли. Благодаря КВРД исследование космоса станет экономичнее, интенсивнее и эффективнее.