Плътността на въздуха и илюзията за безкрайно изкачване
Всеки полет на класически реактивен апарат – независимо дали говорим за граждански Airbus A320 на 10 000 метра височина или за разузнавателния SR-71 Blackbird, достигащ близо 26 000 метра – представлява непрекъснат компромис между механичното изтласкване и атмосферната плътност. Принципът на подемната сила, описан от Даниел Бернули и формулиран в детайли от Теодор фон Карман, изисква физическа маса от въздушни молекули, които да преминават през профила на крилото. Колкото по-високо се издига даден летателен апарат, толкова по-ниска става молекулярната плътност на околната среда. На височина от 30 километра атмосферното налягане пада до едва около един процент от това на морското равнище. В тази среда, за да генерира същото количество подемна сила, крилото трябва да се движи с многократно по-висока скорост.
Тук обаче конструкторите се сблъскват с първата неизбежна стена. За да се компенсира липсата на въздух за носещите повърхности, самолетът трябва да ускорява. Но турбореактивните двигатели като Pratt & Whitney J58, използвани в легендарния SR-71, са атмосферно зависими дишащи системи. Те изискват огромни количества атмосферен кислород, за да поддържат горивния процес в горивната камера. На определен праг – така наречения аеродинамичен таван – въздухът е толкова разреден, че компресорите на двигателя просто не могат да засмучат достатъчно молекули O2. Сместа беднее, горенето угасва, а тягата пада до нула. Опитът да се издигнеш по-високо с конвенционално гориво прилича на опит да плуваш в прахообразна мъгла: колкото по-бързо движиш крайниците си, толкова по-малко опора намираш.
Орбиталната скорост срещу атмосферното съпротивление
Да предположим за момент, че някак успеем да подадем кислород от вътрешен резервоар към двигателя, избегвайки изгасването му. Това обаче разкрива следващите пробойни в теорията за „самолета, който полита в космоса“. Попадането в стабилна околоземна орбита не е въпрос на просто достигане на определена надморска височина, а на постигане на необходимата хоризонтална скорост. За да остане обект в ниска околоземна орбита, той трябва да се движи с приблизително 7,8 километра в секунда (близо 28 000 км/ч). Ако даден апарат се опита да достигне подобна скорост вътре в плътните или дори в средно разредените слоеве на атмосферата, фрикционното нагряване от ударната вълна незабавно би го изпарило.
При Хиперзвукови скорости въздухът пред носа и предните ръбове на крилата престава да се разтича гладко и започва да се компресира адиабатно, превръщайки се в светеща плазма с температура от хиляди градуси. Дори най-устойчивите титанови и никелови сплави, използвани в експерименталния ракетен самолет North American X-15 през 60-те години на миналия век, са били на ръба на структурния си срив при скорости от Мах 6,7 на височина 30-100 километра. Документите от изпитвателния полигон Едуардс отбелязват, че след всеки такъв полет корпусът на X-15 е показвал термични деформации и микропукнатини. Самолетната конструкция е структурно негодна да издържи едновременно аеродинамични натоварвания и орбитално ускорение в атмосферата. Затова стратегията на космическите апарати е съвсем различна: те излитат вертикално, пробиват възможно най-бързо плътния въздушен щит и ускоряват до орбитална скорост чак там, където съпротивлението е практически равно на нула. както разгледахме в анализа ни за полетите с махов задвижващ механизъм, траекторията определя всичко.
