Работы по программе «ХОТОЛ» («HOTOL») были начаты в 1982 году, когда английские фирмы «Бритиш аэроспейс» и «Роллс-Ройс» в инициативном порядке провели поисковые проектные исследования по одноступенчатым аппаратам с горизонтальными взлетом и посадкой и по маршевым двигателям для них. В результате был предложен проект многоразового беспилотного аппарата «ХОТОЛ», основными назначениями которого являются выведение спутников на низкую орбиту и материально-техническое обеспечение космической станции, включая доставку космонавтов в пилотируемой капсуле, размещаемой в грузовом отсеке.
Высокая экономичность системы «ХОТОЛ» достигается за счет исключения из его конструкции элементов и систем одноразового использования и сокращения затрат на предполетные операции. Значительную экономию эксплуатационных расходов дает практически полная автономия полетных операций, обеспечиваемая бортовыми радиоэлектронными системами.
Габариты беспилотного орбитального самолета «ХОТОЛ»: длина — 62 метра, размах крыла — 20 метров, диаметр фюзеляжа — 5,7 метра, взлетная масса — 250 тонн, посадочная масса — 34–47 тонн, масса полезного груза на орбите высотой 300 километров — 11 тонн.
Предполагается, что стартовать «ХОТОЛ» будет либо с разгонной аэродромной тележки, либо с самолета-носителя.
Длина взлетной полосы — от 2,3 до 4 километров. Эксплуата ционный ресурс — 120 полетов.
Особый интерес в конструкции орбитального самолета «ХОТОЛ» представляет маршевая кислородно-водородная двигательная установка «HOTOL RB454», способная функционировать последовательно в режимах воздушно-реактивного и жидкостного двигателей. С момента старта и до высоты 28 километров (скорость — 5 Махов) в течение 9 минут двигатель работает в режиме воздушного с использованием атмосферного воздуха, сильно охлажденного бортовыми средствами, а затем, до высоты 90 километров, — в режиме жидкостного двигателя. Довыведение полезного груза на расчетную орбиту осуществляется с помощью кислородно-водородной двигательной установки орбитального маневрирования.
Главным новым элементом маршевого двигателя является крупногабаритный теплообменник, примыкающий к задней части воздухозаборника. В теплообменнике происходит глубокое охлаждение поступающего в двигатель воздуха за счет запаса холода в жидком водороде, что позволяет продлить работу двигателя в режиме воздушно-реактивного до скорости 5 Махов. Обычные турбореактивные двигатели имеют предельное значение скорости — 3 Маха. Повышение плотности воздушного потока позволяет уменьшить габариты турбокомпрессора. Нагретый водород используется для привода турбины. Кроме того, увеличивается теплосодержание водорода как горючего, компрессор повышает давление воздуха приблизительно до 140 атмосфер. Из компрессора воздух поступает в камеру сгорания, где взаимодействует с водородом, отработанным на турбине и подаваемым частично из бака Фирма «Бритиш аэроспейс» предложила британскому правительству программу разработки базовой технологии летательного аппарата «ХОТОЛ», разделенную на два трехгодичных цикла. В соответствии с ней изготовление должно было быть начато в 1994 году, а первый полет был запланирован на 2000 год.
Однако в июле 1988 года правительство отказалось от дальнейшего финансирования проекта «ХОТОЛ», поскольку затраты (порядка 6 миллиардов фунтов стерлингов), необходимые для его доведения до стадии производства, слишком велики для одной Англии.
Обращения фирм «Бритиш аэроспейс» и «Роллс-Ройс» к Европейскому Космическому агентству с предложением, официально признать и профинансировать программу «ХОТОЛ» закончились безрезультатно. Попытки фирм-разработчиков привлечь частный капитал британских и зарубежных аэро-космических фирм для спасения программы также не увенчались успехом.
В сентябре 1990 года фирма «Бритиш аэроспейс» и Министерство авиационной промышленности СССР в ходе авиационно-космической выставки «Фарнборо-90» подписали соглашение о проведении совместных исследований по оценке технических возможностей и экономических аспектов использования находящегося в эксплуатации советского тяжелого самолета-носителя Ан-225 (Мрия) для запуска воздушно-космического самолета «ХОТОЛ».
Воздушный старт позволяет применить в составе воздушно-космического самолета вместо ранее предполагаемой комбинированной маршевой двигательной установки связку из четырех кислородно-водородных двигателей, поставляемых Советским Союзом. Кроме того, воздушный старт заменяет пуск со стартовой разгонной тележки и обеспечивает воздушно-космический самолет некоторой начальной скоростью на высоте, где плотность атмосферы меньше.
Основные характеристики «ХОТОЛ» с воздушным стартом: длина — 36,15 метра, размах крыла — 21,6 метра, полная масса космического самолета — 250 тонн, масса полезного груза на высоте 275 километров — 8 тонн.
Полет «ХОТОЛ» на самолете-носителе «Ан-225» заканчивается разделением на высоте 10 километров при скорости 0,8 Маха, после чего следует горизонтальный разгон до 5 Махов.
С этого момента начинается маневр выхода «на горку» с перегрузкой 1,4 g до высоты около 20 километров и скорости в 3 Маха. Далее происходит набор высоты па полубаллистической траектории с использованием тяги двигателей и подъемной силы крыла. Подъем осуществляется с постоянным углом наклона траектории к горизонту до высоты около 80 километров и скорости до 20 Махов. Тяга двигателей дросселируется, чтобы уровень перегрузки не превышал 3 g.
Затем угол подъема уменьшается, и на высоте почти 90 километров при скорости 27,2 Маха космический самолет выходит на эллиптическую орбиту с перигеем 70 километров и апогеем 300 километров.
Управление полетом «ХОТОЛ» на участке выведения осуществляется отклонением маршевым двигателей рулевыми двигателями на концах крыла, а также с помощью выдвижного переднего горизонтального оперения, стабилизатора и элеронов при управлении по каналу крена.
При входе в атмосферу управление полетом, при убранном оперении, обеспечивается двигателями на концах крыла.
При движении в плотных слоях атмосферы управление полетом осуществляется с помощью выдвижного переднего стабилизатора, элеронов и подфюзеляжного щитка.
После того как фирме «Бритиш аэроспейс» было отказано в финансировании проекта «ХОТОЛ», часть специалистов, работавших над ним, учредила новую фирму «Риэкшен Энжинес» («Reaction Engines Ltd.»), основным направлением деятельности которой является создание воздушно-космического самолета «Скайлон» («Skylon»). Конструкторам «Риэкшн Энджинес» не позволили использовать в своей работе задел по воздушно-реактивным двигателям «HOTOL RB454», поскольку они остаются секретными, поэтому им пришлось разработать новый двигатель «SABRE» («Synergic Air Breathing Engine»), работающий как воздушно-реактивный на скоростях до 5,5 Маха, а затем переключающийся в режим ЖРД.
Согласно проектным расчетам, «Скайлон», имея грузовой отсек 12,3 на 4,6 метра, может доставлять на экваториальную орбиту 12 тонн полезного груза или 9,5 тонны — к Международной космической станции.
В 1997 году проект «Скайлон» изучался Европейским Космическим агентством, как один из возможных вариантов перспективного орбитального транспортного средства Кроме того, обсуждалась возможность участия проекта «Сайлон» в конкурсе «Икс-Прайс» на создание туристического космоплана.
Общая стоимость реализации проекта «Скайлон» оценивается в 10 миллиардов долларов.
Немецкая космонавтика
Одним из первых космических проектов, связанных с пилотируемой космонавтикой и разрабатываемых на земле ФРГ, был проект одноступенчатого транспортного космического корабля многократного использования VETA.
Конструкция корабля базируется на технике и технологии ракеты «Сатурн-5» и отсеков кораблей «Аполлон». Считается, что основным преимуществом космического корабля «BETA» перед обычными ракетами является отсутствие сбрасываемых ступеней. Это позволяет запускать его со стартовых баз в европейских странах, а также производить посадку на площадки, не подготовленные для этой цели.
Кроме того, «ВЕТА» привлекает своей технической простотой и легкостью эксплуатации и обслуживания.
Конструкция космического корабля «BETA» отличается от конструкции обычной ракеты тем, что он имеет теплозащитный экран, шасси, а также малое отношение длины к диаметру.
Относительно большой диаметр корпуса корабля, равный 7,8 метра, обеспечивает снижение удельной нагрузки во время входа в атмосферу, а также более низкое расположение центра тяжести, что позволяет сохранять устойчивость в полете и при стоянке.
Требуемая стартовая тяга создается 12 ЖРД с камерами высокого давления.
Шасси рассчитано на скорость при контакте 8 м/с, затем она механически снижается до нуля. Шасси состоит из шести ног, но посадка безопасна и при наличии четырех ног (если две выйдут из строя).
Считается, что космический корабль «ВЕТА» имеет минимальные размеры для одноступенчатого аппарата многократного использования. «BETA» имеет стартовую массу 130 тонн, из которых 115 тонн приходится на топливо.
Номинальная масса полезного груза, выводимого на орбиту, равна 2,7 тонны. Если с корабля снять оборудование, необходимое для возвращения и посадки, то масса груза, выводимого на орбиту, возрастет до 4,2 тонны.
Конструкция корабля «BETA» позволяет устанавливать вторую ступень или специальный модуль с силовой установкой. При установке небольшой ступени с двигателем, развивающим тягу 1600 килограммов, можно доставить полезный груз массой 250 килограммов к планете Меркурий или вывести на геостационарную орбиту груз массой 700 килограммов.
Конструкторы полагали, что многократное использование корабля «BETA» снизит стоимость вывода на орбиту одного килограмма полезного груза до нескольких сот долларов.
Существенного улучшения характеристик одноступенчатого корабля можно достичь, модифицировав его в полутораступенчатый аппарат путем добавления внешних сбрасываемых баков.