Аэродинамические проблемы, которые мы рассмотрели ранее в серии материалов «Как создать НЛО», касаются только полета в атмосфере. Но классическое НЛО должно летать и в космосе. Возможно ли это с научной точки зрения? Может ли дискообразный аппарат самостоятельно покинуть атмосферу и продолжить движение в вакууме? А если да, то каким способом он должен создавать тягу и выполнять орбитальные маневры? Здесь мы рассмотрим, как меняются условия полета в космосе, может ли «летающая тарелка» преодолевать атмосферу и какие технологии могут сделать это реальностью.
Может ли дискообразный аппарат преодолеть атмосферу?
В научной фантастике классические НЛО легко летают и в атмосфере, и в космосе. Но реальному аппарату для выхода на орбиту нужно выполнить строгие условия баллистики. Чтобы объект мог вращаться вокруг Земли, ему следует достичь первой космической скорости — примерно 7,8 км/с (28 100 км/ч) на низкой орбите. Для сравнения: самый быстрый пилотируемый самолет (ракетоплан Х-15) разгонялся лишь до ~2.2 км/с. Очевидно, что ни один атмосферный летательный аппарат, независимо от формы, не может просто «махнуть крыльями» и достичь орбитальной скорости — нужна ракетная тяга и огромная энергия. Дискообразный аппарат может теоретически быть оснащен ракетными двигателями или разгонными ступенями. Например, если бы взять дисколет и приделать к нему мощный многократный ускоритель (похоже на то, как космические корабли выводятся на орбиту), то он мог бы покинуть атмосферу. Но тут встает вопрос аэродинамики на высоких скоростях: при полете сквозь плотные слои атмосферы со скоростью несколько километров в секунду форму диска ждали бы колоссальные аэродинамические нагрузки и нагрев.
Диск — не оптимальная форма для прорыва атмосферы. При баллистическом подъеме (почти вертикально) форма не так важна, но при разгоне по горизонтали (а достижение орбиты требует горизонтального ускорения) тарелка будет испытывать сильное сопротивление. Конические или иглообразные формы ракет выбраны не случайно: они минимизируют сопротивление воздуха на сверхзвуке. Диск же на сверхзвуке будет создавать ударные волны по всему широкому лобовому ребру — давление и температура там будут экстремальными. Разве что диск может лететь «ребром вперед», то есть повернувшись боком, как монета, — тогда его лобовая проекция мала. Но такой способ не обеспечивает подъема и повышается шанс на опрокидывание.
Стоит отметить, что концепт лентикулярного аппарата LRV с линзообразной формой мог бы выходить в космос с ядерным двигателем. Форма двояковыпуклой линзы (близкая к диску) привлекала тем, что могла потенциально служить хорошим тепловым щитом при возвращении в атмосферу. Действительно, возвращение с орбиты требует гашения скорости с ~8 км/с до нуля, и капсулы космических кораблей имеют тупую округлую форму (например, форма аппарата Starliner или современных Crew Dragon близка к дискообразной, чтобы создать большое сопротивление и рассеять энергию за счет воздуха). Поэтому диск, входящий в атмосферу, может неплохо тормозиться и оставаться устойчивым (потому что при оси симметрии отклонения не так критичны). Но запустить диск в космос — другая задача. Скорее всего, если когда-то появится «космическая тарелка», она будет иметь комбинированную схему: например, сначала вертикальный подъем на ракете (как многократная ступень), а уже в космосе — отделение диска, который будет маневровым кораблем.
Поведение в вакууме
Выйдя за пределы атмосферы, дискообразный аппарат сталкивается с другой проблемой: в вакууме нет воздуха, следовательно, вся подъемная сила и аэродинамическое управление исчезают. Космический полет подчиняется законам орбитальной механики и контролируется лишь реактивной тягой. В космосе диск — это просто кусок металла: форма уже не дает никаких преимуществ или недостатков с точки зрения движения. Это означает, что для маневров и стабилизации нужны системы реактивного управления: маленькие ракетные двигатели или импульсные сопла по краям аппарата, которые могут разворачивать его, корректировать орбиту и тому подобное. На Международной космической станции, например, есть гиродины (реактивные маховики) и двигатели, корректирующие положение — аналогично должно быть и у «космического диска».
Таким образом, в вакууме форма диска нейтральна — она не помогает летать, но и не мешает (разве что распределение масс влияет на моменты инерции при поворотах). Однако, если диск планирует возвращаться в атмосферу, форма становится критичной для безопасного входа. Здесь есть плюс: диск может выступать хорошим аппаратом для аэродинамического торможения. Как упомянуто, капсулы имеют схожую геометрию — полусфера или усеченный конус. Диск, входящий «плоско», создаст большое сопротивление и сильно замедлится в верхних слоях (что желательно, чтобы избежать перегрева). Но и управление при входе затруднено — надо обеспечить, чтобы диск не заваливался набок. Возможное решение: вращение вокруг вертикальной оси в качестве стабилизатора (подобно пуле, вращающейся в стволе — стабилизируется гироскопически). Или использование небольших газовых рулей, которые в разреженной атмосфере еще действуют.
Технические ограничения и потенциальные решения
Итак, основные преграды для «космической тарелки» следующие:
Необходимость колоссальной скорости / энергии для выхода на орбиту. Это требует ракетных технологий. Решение: использовать диск только как аппарат для маневрирования на орбите или для входа / выхода, в паре с ускорителем.
Аэродинамическое сопротивление и нагрев во время разгона в атмосфере. Диск при сверхзвуковом полете нагреется как сковорода. Нужна защита от тепла (термостойкие материалы, абляционная защита). Альтернативно — выходить на орбиту почти вертикально (тогда меньше времени на трение). Возможно применение многоразового носителя: сначала тарелка поднимается вертикально на ракете, а затем отделяется.
Отсутствие подъема в вакууме. Нужно включать маршевые двигатели для любого перемещения. В самом космосе форма может быть выбрана из других соображений: например, удобство размещения оборудования. Кстати, диск мог бы вращаться, создавая искусственную гравитацию на ободе (как концепты вращающихся космических станций), но для малых диаметров это не работает хорошо (нужны сотни метров для комфортной гравитации).
Стыковка атмосфера — космос. Аппарат, умеющий и летать в воздухе, и маневрировать в космосе — это компромисс конструкции. Надо иметь и крылья / двигатели для воздуха, и ракеты / топливо для вакуума. Это приводит к усложнению и увеличению массы. Одно из решений — сделать гибридный двигатель, работающий как реактивный в плотной атмосфере (захватывает воздух), а выше переходит на внутренние окислители как ракетный. Такие прямоточные воздушно-реактивные двигатели (SCRAMJET) в теории могут разогнать аппарат до орбитальных скоростей, используя атмосферный кислород на части траектории. Возможно, дискообразный аппарат мог бы иметь центральный ракетный двигатель и вокруг него кольцевой воздухозаборник — на первом этапе работает как SCRAMJET, на втором — как ракета. Это направление тоже больше концептуальное, но интересное.
Зачем создавать «летающую тарелку»?
Сегодня тарелка — это не столько о классической аэродинамике, сколько об активных системах управления и искусственном интеллекте, позволяющих летать аппаратам нестандартной формы.
В будущем, если системы энергоснабжения и управления станут еще компактнее, а плазмодинамические и магнегидродинамические двигатели — эффективнее, летательная тарелка может стать новым этапом эволюции беспилотной и даже пилотируемой авиации и дать следующие преимущества:
- Симметрия конструкции. Дискообразная форма имеет идеальную осевую симметрию, что делает ее одинаково благоприятной для движения в любом направлении.
- Высокий потенциал маневренности. Летающая тарелка теоретически может выполнять мгновенные маневры, как в фантастике — резкие рывки в сторону, зависание в точке, вращение вокруг собственной оси.
- Компактность и аэродинамическое торможение. Диск может служить естественным аэродинамическим тормозным щитом при входе в атмосферу.
- Потенциал для вертикального взлета и посадки (VTOL). Сочетание компактной формы и использования воздушной подушки или активной циркуляции позволяет тарелке работать как аппарату вертикального взлета и посадки без сложной механики раскладных крыльев или винтов.
- Универсальность. Дискообразные аппараты интересны как платформа для многосрединного транспорта: теоретически, диск можно адаптировать для полета в воздухе, движения в воде (как подводный дрон), а с соответствующими технологиями — даже для космоса.
Наконец, стоит сказать: физика не запрещает полета диска ни в атмосфере, ни в космосе. Это вопрос инженерного мастерства и технологий. На Земле мы уже создали много «невозможных» летательных аппаратов — от бесхвостых стелс-самолетов до ракетопланов. Диск — просто еще один вызов. Постепенно, с развитием активных систем управления и новых методов создания тяги, мы приближаемся к тому, чтобы первые настоящие «летающие тарелки» появились в нашем небе, а, возможно, когда-то и за его пределами.
