Аеродинамічні проблеми, які ми розглянули раніше у серії матеріалів «Як створити НЛО», стосуються лише польоту в атмосфері. Але класичне НЛО має літати й у космосі. Чи можливо це з наукового погляду? Чи може дископодібний апарат самостійно залишити атмосферу і продовжити рух у вакуумі? А якщо так, то яким способом він має створювати тягу та виконувати орбітальні маневри? Тут ми розглянемо, як змінюються умови польоту в космосі, чи може «літаюча тарілка» долати атмосферу і які технології можуть зробити це реальністю.
Чи може дископодібний апарат подолати атмосферу?
У науковій фантастиці класичні НЛО легко літають і в атмосфері, і в космосі. Але реальному апарату для виходу на орбіту потрібно виконати суворі умови балістики. Щоб об’єкт міг обертатися навколо Землі, йому слід досягти першої космічної швидкості — приблизно 7,8 км/с (28 100 км/год) на низькій орбіті. Для порівняння: найшвидший пілотований літак (ракетоплан Х-15) розганявся лише до ~2.2 км/с. Очевидно, що жоден атмосферний літальний апарат, незалежно від форми, не може просто «махнути крилами» й досягти орбітальної швидкості — потрібна ракетна тяга і величезна енергія. Дископодібний апарат може теоретично бути оснащений ракетними двигунами або розгінними ступенями. Наприклад, якби взяти дисколет і приробити до нього потужний багаторазовий прискорювач (схоже на те, як космічні кораблі виводяться на орбіту), то він міг би покинути атмосферу. Але тут постає питання аеродинаміки на високих швидкостях: при польоті крізь щільні шари атмосфери з швидкістю кілька кілометрів за секунду форму диска чекали б колосальні аеродинамічні навантаження і нагрівання.
Диск — не оптимальна форма для прориву атмосфери. При балістичному підйомі (майже вертикально) форма не так важлива, але при розгоні по горизонталі (а досягнення орбіти потребує горизонтального прискорення) тарілка відчуватиме сильний опір. Конічні або голкоподібні форми ракет обрані не випадково: вони мінімізують опір повітря на надзвуку. Диск же на надзвуку створюватиме ударні хвилі по всьому широкому лобовому ребру — тиск і температура там будуть екстремальними. Хіба що диск може летіти «ребром уперед», тобто повернувшись боком, наче монета, — тоді його лобова проєкція мала. Але такий спосіб не забезпечує підйому та підвищується шанс на перекидання.
Варто зазначити, що концепт лентикулярного апарата LRV з лінзоподібною формою міг би виходити у космос з ядерним двигуном. Форма двоопуклої лінзи (близька до диска) приваблювала тим, що могла потенційно слугувати хорошим тепловим щитом під час повернення в атмосферу. Справді, повернення з орбіти вимагає гасіння швидкості з ~8 км/с до нуля, і капсули космічних кораблів мають тупу округлу форму (наприклад, форма апарата Starliner або сучасних Crew Dragon близька до дископодібної, аби створити великий опір і розсіяти енергію за рахунок повітря). Тож диск, що входить в атмосферу, може непогано гальмуватися і залишатися стійким (бо при осі симетрії відхилення не так критичні). Але запустити диск у космос — інша задача. Найімовірніше, якщо колись з’явиться «космічна тарілка», вона матиме комбіновану схему: наприклад, спочатку вертикальний підйом на ракеті (як багаторазовий ступінь), а вже в космосі — відокремлення диска, який буде маневровим кораблем.
Поведінка у вакуумі
Вийшовши за межі атмосфери, дископодібний апарат стикається з іншою проблемою: у вакуумі немає повітря, отже, вся підйомна сила й аеродинамічне керування зникають. Космічний політ підкоряється законам орбітальної механіки й контролюється лише реактивною тягою. У космосі диск — це просто шматок металу: форма вже не дає жодних переваг чи недоліків з погляду руху. Це означає, що для маневрів та стабілізації потрібні системи реактивного керування: маленькі ракетні двигунці або імпульсні сопла по краях апарата, які можуть розвертати його, коригувати орбіту тощо. На Міжнародній космічній станції, наприклад, є гіродіни (реактивні маховики) й двигуни, що коригують положення — аналогічно має бути й у «космічного диска».
Отже, у вакуумі форма диска нейтральна — вона не допомагає літати, але й не заважає (хіба що розподіл мас впливає на моменти інерції під час поворотів). Однак, якщо диск планує повертатися в атмосферу, форма стає критичною для безпечного входу. Тут є плюс: диск може бути хорошим апаратом для аеродинамічного гальмування. Як згадано, капсули мають схожу геометрію — напівсфера або усічений конус. Диск, що входить «плоско», створить великий опір і сильно сповільниться у верхніх шарах (що бажано, щоб уникнути перегріву). Але й керування під час входу ускладнене — треба забезпечити, щоб диск не завалювався набік. Можливе рішення: обертання навколо вертикальної осі як стабілізатор (подібно до кулі, що обертається у стволі — стабілізується гіроскопічно). Або використання невеликих газових рулів, які в розрідженій атмосфері ще діють.
Технічні обмеження та потенційні рішення
Отже, основні перепони для «космічної тарілки» такі:
Необхідність колосальної швидкості / енергії для виходу на орбіту. Це вимагає ракетних технологій. Рішення: використовувати диск лише як апарат для маневрування на орбіті або для входу / виходу, в парі з прискорювачем.
Аеродинамічний опір і нагрів під час розгону в атмосфері. Диск при надзвуковому польоті нагріється як сковорода. Потрібен захист від тепла (термостійкі матеріали, абляційний захист). Альтернативно — виходити на орбіту майже вертикально (тоді менше часу на тертя). Можливе застосування багаторазового носія: спочатку тарілка піднімається вертикально на ракеті, а потім відокремлюється.
Відсутність підйому у вакуумі. Потрібно включати маршові двигуни для будь-якого переміщення. У самому космосі форма може бути обрана з інших міркувань: наприклад, зручність розміщення обладнання. До речі, диск міг би обертатися, створюючи штучну гравітацію на ободі (як концепти обертових космічних станцій), але для малих діаметрів це не працює добре (потрібні сотні метрів для комфортної гравітації).
Стиковка атмосфера — космос. Апарат, що вміє і літати в повітрі, й маневрувати в космосі — це компроміс конструкції. Треба мати й крила / двигуни для повітря, і ракети / паливо для вакууму. Це призводить до ускладнення і збільшення маси. Одне з рішень — зробити гібридний двигун, що працює як реактивний у щільній атмосфері (захоплює повітря), а вище переходить на внутрішні окислювачі як ракетний. Такі прямоточні повітряно-реактивні двигуни (SCRAMJET) в теорії можуть розігнати апарат до орбітальних швидкостей, використовуючи атмосферний кисень на частині траєкторії. Можливо, дископодібний апарат міг би мати центральний ракетний двигун і навколо нього кільцевий повітрозабірник — на першому етапі працює як SCRAMJET, на другому — як ракета. Цей напрям теж більше концептуальний, але цікавий.
Навіщо створювати «літаючу тарілку»?
Сьогодні тарілка — це не так про класичну аеродинаміку, як про активні системи управління і штучний інтелект, що дозволяють літати апаратам нестандартної форми.
У майбутньому, якщо системи енергопостачання і керування стануть ще компактнішими, а плазмодинамічні та магнегідродинамічні двигуни — ефективнішими, літальна тарілка може стати новим етапом еволюції безпілотної і навіть пілотованої авіації та дати такі переваги:
- Симетрія конструкції. Дископодібна форма має ідеальну осьову симетрію, що робить її однаково сприятливою для руху в будь-якому напрямку.
- Високий потенціал маневреності. Літаюча тарілка теоретично може виконувати миттєві маневри, як у фантастиці — різкі ривки вбік, зависання в точці, обертання навколо власної осі.
- Компактність і аеродинамічне гальмування. Диск може служити природним аеродинамічним гальмівним щитом під час входу в атмосферу.
- Потенціал для вертикального зльоту та посадки (VTOL). Поєднання компактної форми й використання повітряної подушки або активної циркуляції дозволяє тарілці працювати як апарату вертикального зльоту і посадки без складної механіки розкладних крил чи гвинтів.
- Універсальність. Дископодібні апарати цікаві як платформа для багатосередовищного транспорту: теоретично, диск можна адаптувати для польоту в повітрі, руху у воді (як підводний дрон), а з відповідними технологіями — навіть для космосу.
Насамкінець, варто сказати: фізика не забороняє польоту диска ні в атмосфері, ні в космосі. Це питання інженерної майстерності та технологій. На Землі ми вже створили багато неможливих» літальних апаратів — від безхвостих стелс-літаків до ракетопланів. Диск — просто ще один виклик. Поступово, із розвитком активних систем керування та нових методів створення тяги, ми наближаємося до того, щоб перші справжні «літаючі тарілки» з’явилися у нашому небі, а, можливо, колись і за його межами.
