Через десять років після вдалого штурму космосу кілька країн затіяли надзвичайно амбітні проекти щодо його подальшого освоєння. У 1971 році США запустили програму Space Shuttle, через п'ять років СРСР почав розробку системи «Енергія - Буран», а ще через шість років до гонки підключилася Великобританія з проектом HOTOL (Horizontal Take-Off and Landing).
Багато фахівців вважають саме англійський проект найбільш революційним: якщо США і СРСР розвивали традиційні ракетні технології, закладені ще Вернером фон Брауном, то Великобританія вирішила створити принципово новий повітряно-космічний літак. Самим апаратом займалася British Aerospace, а унікальний повітряно-реактивний двигун повинна була розробити компанія Rolls-Royce. Планувалося, що HOTOL буде злітати з розгінного аеродромного візка, двигун почне працювати в повітряно-реактивному режимі (до висоти близько 28 км), використовуючи в якості окислювача забортне повітря, після чого перейде в режим класичного ракетного рідинного двигуна. Створення такого двигуна і зараз завдання майже фантастичне, що ж говорити про вісімдесятих років. Досить скоро Rolls-Royce зіткнулася з низкою труднощів, що спричинили незаплановане зростання витрат на дослідницькі роботи. У підсумку British Aerospace вирішила відмовитися від революційного двигуна і вступити в кооперацію з СРСР, перейменувавши проект в Interim HOTOL. Апарат планували оснастити радянськими ЖРД і запускати з модифікованого літака Ан-225. Співпраця почалася в 1991-му, проте в цьому ж році Радянський Союз закінчив своє існування, поховавши під своїми уламками і спільний проект.
HOTOL
Безпілотний апарат був призначений для доставки корисного навантаження масою близько 7-8 т на низьку орбіту висотою 300 км. Він повинен був злітати зі злітно-посадкової смуги, розміщуючись на фюзеляжі великого літака-носія з ракетними прискорювачами, які повинні були допомогти розігнати апарат до швидкостей, оптимальних для роботи його двигунів. Двигуни повинні були перемикатися з повітряно-реактивного на ракетний режим роботи при досягненні апаратом швидкості в 5-7 М.
Три в одному
Не всі були згодні з таким станом справ. Після згортання робіт над RB545 в 1989 році провідний конструктор двигуна Алан Бонд забрав із собою двох інженерів Rolls-Royce і заснував власну компанію - Reaction Engines. Вона зосередилася на створенні гібридного двигуна SABRE (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine) і розробці інших технологій для втілення проекту космоплана Skylon. Багато експертів вважають, що проект SABRE здатний перевернути сучасну космонавтику і зробити можливим створення одноступеневого космічного апарату. Він може працювати на першому етапі польоту як турбореактивний двигун, в якості окислювача забираючи забортне повітря. На другому етапі - як прямоточний двигун, а на третьому - як звичайний ракетний двигун, використовуючи внутрішній бортовий окислювач.
Ідея одноступеневого багаторазового повітряно-космічного апарату (SSTO, Single Stage to Orbit) далеко не нова, але на шляху її втілення стоїть ряд перешкод - низький рівень вагової віддачі конструкції і недостатній питомий імпульс існуючих ракетних двигунів. Це взаємопов'язані параметри: підвищивши питомий імпульс (який показує, скільки секунд даний двигун зможе створювати тягу в 1 Н, витративши при цьому 1 кг палива), ви можете отримати ту ж тягу з меншою витратою палива і окислювача, що дозволяє зробити конструкцію більшої маси. Однак існуючі рідинні ракетні двигуни мають питомий імпульс у вакуумі близько 400 с (рекорд для кисень-водневих КВД1 і RL-10 становить 462 с, двигуни на екзотичних компонентах - наприклад, ті, що використовують водень-літій-фтор - дозволяють отримати на сотню більше, проте з ними стільки проблем, що гра не стоїть звічень).
Порівняльні розміри багаторазових кораблів
Проекти кораблів з двигунами SABRE на тлі існуючих човників виглядають як зорельоти з «Зоряних воєн». Це дійсно принципово інші космічні апарати.
Не ракета, не літак
У той же час двигуни сучасних авіалайнерів мають питомий імпульс на порядок вище, наближаючись до цифри 6000 с, і навіть «ненажерливий» двигун надзвукового Concorde мав питомий імпульс всього в два рази нижче - 3000 с (майже в десять разів економічної космічної ракети). Така радикальна різниця через інший принцип роботи: повітряно-реактивний двигун на кожну частину палива використовує 14 частин повітря (якщо паливо - водень, то 30), а ракетному доводиться черпати з баків все, що потім полетить в сопло.
Можна, звичайно, використовувати повітряно-реактивний двигун на частині траєкторії виведення, яка проходить крізь щільні шари атмосфери, з його економічністю і відсутністю необхідності в окислювачі. Але не все так просто. Космічна ракета прагне пройти щільні шари атмосфери швидко, проткнувши їх на вертикальній ділянці траєкторії, а вже потім завалюючи траєкторію горизонтально. Апарат з ВРД не може дозволити собі такої розкоші - він повинен максимально використовувати безкоштовний окислювач за бортом, тому його траєкторія полога і довгий час проходить в щільних шарах атмосфери, з великою швидкістю польоту на цій ділянці. Весь цей час апарат знаходиться під впливом швидкісного напору набігаючого потоку, що вимагає зміцнення конструкції та підвищення ефективності теплозахисту - і те й інше тягне за собою збільшення ваги. Є ще одна хитрість - можливість використовувати підйомну силу крила: якщо ракета з вертикальним стартом висить на тязі двигунів і при наборі висоти тяга повинна бути більше її ваги, то крилатий апарат з аеродинамічною якістю 5 для набору висоти повинен мати тягу всього лише більше 1/5 ваги. Однак крила - це теж додатковий ріст ваги конструкції. Все це затягується в тугий клубок протиріч, вирішити які на сучасному технологічному рівні, отримавши переваги над багатоступеневою системою, досить складно.
Найпотужніший холодильник у світі
Алан Бонд зі своєю командою зіткнувся з тими ж проблемами, що і його попередники: серед усього безлічі існуючих типів повітряно-реактивних двигунів немає універсалу, кожен з них відрізняється різною ефективністю, кожен хороший в своєму діапазоні швидкостей, володіє свого роду вузькою спеціалізацією. Турбореактивний двигун відмінно працює в діапазоні від 0 до 3 М, але розгін з його допомогою до великих швидкостей утруднюваний: повітря при гальмуванні в повітрозабірнику нагрівається так сильно, що подальше стиснення його компресором призводить до зростання температури до величин, що виходять за межі термостійкості матеріалів камери згоряння і турбіни. Прямоточный воздушно-реактивный двигатель и гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель (последний отличается сверхзвуковым течением в камере сгорания) отлично работают на больших скоростях (Х-43А достиг 10 М), однако не работают на малых. Турборакетні двигуни мають низький питомий імпульс і тяговооруженість (вони важкі для тієї тяги, що створюють). Свого часу великі надії покладали на двигун зі зрідженням кисню (LACE, Liquid Air Cycle Engine), в якому кріогенне паливо йде через теплообмінник, забираючи тепло у набігаючого потоку до температури зрідження повітря, далі через сепаратор, де кисень відокремлюється від азоту і подається в камеру згоряння. Однак такий двигун важкий, конструктивно складний (прощавай, надійність) і має підвищену витрату палива (водню на охолодження витрачається більше, ніж можна спалити в камері згоряння з отриманим рідким киснем, а це втрати питомого імпульсу). Втім, від LACE Алан Бонд вирішив запозичити ідею охолоджувати повітряний потік у теплообміннику.
Одна з найскладніших і найважливіших деталей SABRE - кріогенний теплообмінник. Він повинен практично миттєво охолоджувати вхідне повітря, яке нагрівається при стисненні до 1000. C, до температури близько -140 - C. Досі це нікому не вдавалося.
В результаті інже "