«Гиперзвук»: чудо оружие или маркетинговый развод? Про гиперзвук от специалиста Американская программа Prompt Global Strike
ГИПЕРЗВУК
Где еще существует ниша применения авиационных технологий, т. е. реализации управляемого полета в пределах земной атмосферы? Эта ниша - гиперзвук, т. е. полет со скоростями, в четыре и более (до шести) раз превышающими скорость звука. Как и все технологии, технология гиперзвука-двойная, т. е. гиперзвуковой самолет может быть как гражданского, так и военного назначения. Более того, область гиперзвуковых скоростей может быть использована и для функционирования воздушно-космического самолета.
В 1970-1980-е гг., в эпоху технического оптимизма, в Европе разрабатывались проекты воздушно-космических самолетов с горизонтальным взлетом и посадкой. Эти проекты были прямой конкуренцией американскому «Спейс Шаттлу» («Космическому Челноку»), космическому кораблю многоразового применения. «Челнок», как известно, стартует вертикально с помощью мощного ракетного ускорителя и после выполнения своей миссии приземляется по-самолетному. В Великобритании проект подобного челнока-самолета назывался «HOTOL» (Horisontal Take-Off Landing - «горизонтальные взлет и посадка»). Очевидно, что использование в качестве первой ступени воздушно-реактивного двигателя существенно повысило бы эффективность системы в целом.
В этом случае разгон в слоях атмосферы происходил бы с использованием при горении кислорода самой атмосферы, а не запасенного в баках ракеты.
Если «HOTOL» был проектом полностью ракетного самолета, то в тогдашней Федеративной Республике Германия проект воздушно-космического самолета предполагал применение воздушно-реактивного двигателя на первой ступени. Этот аппарат получил имя «Зенгер» в честь известного немецкого ученого и инженера Ойгена Зенгера, активно работавшего в 1930-1940-е гг. в Германии над созданием ракетных и прямоточных двигателей. Тогда, в 1980-е гг., казалось, что создание воздушно-космических систем вполне возможно. Скорее всего, технически так оно и было. Но эти многообещающие проекты так и не были реализованы по причине дороговизны разработки, непосильной для бюджета одной страны. Тем не менее и сегодня существует возможность возврата к этим проектам на базе международного сотрудничества и соответствующего разделения труда. Сейчас, после завершения концептуально весьма спорной программы американских «челноков», самое время приступить к созданию такой системы. Во всяком случае, для расширения кругозора полезно знать схему вывода на околоземную орбиту космического корабля с применением авиационных технологий.
Для примера рассмотрим вначале схему работы воздушно-космического самолета «Зенгер». Это - двухступенчатый аппарат: первая ступень представляет собой гиперзвуковой самолет с турбопрямоточной силовой установкой, работающей на водороде, вторая ступень - ракета с жидкостным водородно-кислородным ракетным двигателем. «Зенгер» взлетает по-самолетному с помощью тяги обычных турбореактивных двигателей. Так же по-самолетному набирает высоту 11 км на дозвуковой скорости. На этой точке траектории (Н=11 км, М=0,8) самолет может совершать длительный крейсерский полет (1 - й крейсерский режим полета). Далее начинается разгон до числа Маха 3,5 с набором высоты до 20 км. В этой точке траектории турбореактивный двигатель выключается и капотируется, а вместо него включается прямоточный контур. На траектории имеется еще одна точка (2-й крейсерский режим), параметры полета в которой тоже обеспечивают длительный крейсерский полет(Н=25 км, М=4,5) самолета. Наконец, при достижении высоты 30 км и скорости полета, соответствующей числу Маха полета 6,8, происходит отделение и запуск второй, ракетной ступени. Как мы видим, эта ступень уже разогнана до высокой скорости и, следовательно, для выхода на околоземную орбиту ракете второй ступени потребуется существенно меньший запас энергии (топлива), чем в случае чисто ракетного старта с поверхности земли.
Напомним, что применение углеводородного топлива (керосина) при гиперзвуке ограничено уровнем числа Маха=4 из-за низкой в сравнении с водородом температуры пламени. Из-за этого ограничения с ростом скорости полета и увеличивающегося кинетического подогрева воздуха на входе при его торможении количество подведенного тепла уменьшается и соответственно уменьшается и совершаемая работа и термический кпд (вспомним формулу Карно). Поэтому для достижения эффективного преобразования химической энергии топлива в работу необходимо применять топливо с более высокой температурой пламени горения. Именно таким качеством обладает водород, но и он имеет ограничения по скорости, а именно Мmax = 7. Альтернативой этому является технология… охлаждения воздуха на входе в двигатель с помощью теплообменника-рекуператора с использованием хладоресурса запасенного в баках горючего (жидкого водорода, имеющего низкую температуру).
Теоретические разработки гиперзвукового пассажирского самолета были сделаны в НАСА (США) еще в 1970-е гг. Планировалось создать самолет «Восточный экспресс», способный преодолевать расстояние от Нью- Йорка до Токио за три (!) часа. Этот самолет проектировался на перевозку 300 пассажиров на расстояние 12 000 км с крейсерской скоростью М=5. Самолет взлетным весом 440 тонн должен был оснащаться четырьмя двигателями по 27,5 тонны тяги (энерговооруженность - те же классические 0,25 для четырехмоторных самолетов). В 1989 г. стартовал международный проект разработки технологий для силовой установки перспективного гиперзвукового пассажирского самолета. Базовой страной для интеграции проекта двигателя была выбрана Япония с участием ведущих мировых разработчиков газотурбинных двигателей «Роллс-Ройс» и «Дженерал Электрик». Проект шел ни шатко ни валко двадцать лет, проводились эксперименты на отдельных узлах будущего турбопрямоточного двигателя, но на выходе результата пока не получилось.
Не стали отставать от США и европейцы: уже в начале XXI века здесь тоже появились проекты гиперзвуковых пассажирских самолетов на 200 (300 тонн взлетного веса) и 300 (400 тонн взлетного веса) пассажиров на планируемой трассе Брюссель - Сидней. Это расстояние будущий гиперзвуковой самолет должен преодолевать за три часа. Насколько реальны эти проекты? С точки зрения экономической эффективности пассажирский гиперзвуковой самолет представляется очень рискованным проектом. Огромные вложения в разработку врядли окупятся в его дорогой эксплуатации. Если только… на будущей многолюдной трассе Пекин - Нью-Йорк.
А вот военное и космическое применение гиперзвука совершенно реально и здесь впереди всех, по крайней мере, по продуманности стратегии, находятся США. Более того, НАСА и Военное ведомство США создали совместную организационную структуру, получившую название «Национальная Аэрокосмическая Инициатива» (НАИ), для практической реализации следующего поколения проектов. Намучившись с «челноками» в части прогноза их надежности при многократном применении, НАСА поставило задачу радикального снижения затрат на запуски космических кораблей с помощью разработки носителей нового поколения с применением гиперзвукового самолета. Этот проект аэрокосмического самолета, получивший обозначение Х-43 (как и всякий опытный самолет, имеющий индекс «X»), по плану должен быть закончен к 2025 г. летными испытаниями демонстратора. Правда, окончательный выбор типа первой ступени еще не сделан. Рассматриваются оба варианта: чисто ракетный и на базе газотурбинного двигателя. Но «верхняя» часть первой ступени является гиперзвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателем со сверхзвуковым горением.
Вообще, естественная трансформация оптимального двигателя космического корабля выглядит следующим образом. При старте, когда начальная скорость полета в атмосфере равна нулю, необходимое для производства работы сжатие воздуха осуществляет компрессор газотурбинного двигателя. С увеличением скорости полета все большая часть сжатия происходит при торможении воздуха в воздухозаборнике и все меньшая - в компрессоре. Начиная с числа М полета, равного 3–3,5, компрессор, по сути, вырождается, практически ничего не добавляя к степени сжатия в воздухозаборнике. Здесь газотурбинную часть двигателя целесообразно выключать и переходить на чисто прямоточный контур с дозвуковым горением до скоростей полета порядка М=5. Следующей оптимальной модификацией двигателя является прямоточный двигатель со сверхзвуковым горением (при М4 температура торможения при обтекании стабилизатора достигает величины воспламенения, и возникает устойчивое горение при высокой, в том числе и сверхзвуковой скорости). И, наконец, при выходе за пределы атмосферы, где воздух имеет малую плотность и не может служить рабочим телом, применяется жидкостноракетный двигатель, который использует вместо атмосферного воздуха собственный запас окислителя в баке ракеты или самолета. Необходимое давление в камере сгорания при этом обеспечивается расходом рабочего тела, который, в свою очередь, дают насосы, качающие окислитель и горючее в необходимом количестве.
Если газотурбинные технологии до числа М полета, равного 3, хорошо отработаны, то область работы прямоточного двигателя со сверхзвуковым горением (М4) является проблемной как в научном, так и в практическом плане. И в этом направлении ведутся интенсивные исследования. Кроме того, представляется заманчивым продлить область применения газотурбинного двигателя (пусть и в комбинированном варианте с прямоточным) до М=4. Тогда в космическом корабле силовая установка для его разгона будет иметь три отдельных модуля: турбопрямоточный, прямоточный со сверхзвуковым горением и ракетный двигатели.
В США принята соответствующая программа разработки так называемого «Революционного Турбинного Ускорителя» (РТУ или, в английской транскрипции, RTA), в которой участвует знаменитая фирма «Дженерал Электрик». В качестве прототипа такого «революционного» двигателя используется F-120, так называемый «двигатель изменяемого цикла» с механически регулируемыми площадями проходных сечений (в частности, соплового аппарата турбины).
Проблем создания гиперзвукового самолета много. Начиная от недостаточной точности прогноза внешнего сопротивления такого аппарата, а следовательно, и оценки потребной величины тяги силовой установки. Дело в том, что при таких гиперзвуковых скоростях надежность геометрического моделирования при аэродинамических продувках еще требует подтверждения. Неясно, работает ли (скорее всего, не работает) в этом случае теория подобия, столь успешно применяемая при исследовании моделей дозвуковых и сверхзвуковых (но не гиперзвуковых) самолетов. Современные методы расчета и моделирования аэродинамики тоже нуждаются в верификации. Взаимодействие гиперзвукового потока с двигателем и самолетом порождает существенно нелинейные эффекты, которые современные сеточные методы математического моделирования точно описать не могут. Все идет к тому, что доводка таких дорогих систем должна во многом вестись на натуре в летных условиях. Здесь мы находимся в ситуации, аналогичной начальной стадии разработки крупных ракетных двигателей.
Прямоточный контур двигателя со сверхзвуковым горением тоже требует исследований, начиная от разработки новых более легких теплопроводных материалов типа гамма-титан-алюминий или керамических композитов на основе кремния и выбора типа топлива. Нужно иметь в виду, что топливо используется здесь для охлаждения камеры сгорания. И т. д, и т. п.
Какова же ситуация с гиперзвуком в России? И каково здесь возможное применение гиперзвуковых самолетов? Вряд ли следует ожидать применения гиперзвука для вывода на орбиту космических аппаратов и кораблей. В России для этой цели уже давно сложилась надежная система применения ракетных носителей. Не будет в России и гиперзвукового воздушного транспорта - нет такой потребности, да и с экономической точки зрения это нецелесообразно. А вот в области военного применения гиперзвука существуют заманчивые перспективы Надо отметить, что этой темой в России занимаются давно (с 1970-х гг.) в Центральном институте авиационного моторостроения в рамках федеральных целевых программ («Холод» по использованию водорода и др.). Эта тема не только предоставляет прекрасные возможности для развития фундаментальной науки, прежде всего в области механики жидкости и газа, а также физики горения, но и имеет очевидный прикладной характер. Разработка новых математических моделей процессов, проведение уникальных экспериментов - все это само по себе имеет большую ценность для инновационного развития страны. В случае же создания гиперзвукового носителя оружия оборона страны получает новое качество благодаря повышению скорости реакции и неуязвимости ответа на возможные угрозы.
В ЦИАМ темой ГПВРД (гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель) предметно начали заниматься с 1985 г. (отдел 012, начальник отдела А.С. Рудаков), ориентируясь на создание воздушно-космического самолета. Концепция такого самолета была разработана в ОКБ Туполева, а будущий проект самолета получил обозначение Ту-2000. Но организовать системную работу по созданию такого самолета не удалось по многим причинам, в том числе и из-за отсутствия целевого финансирования. Как известно, начиналась «перестройка», и эта «перестройка» «прошлась Мамаем» по многим проектам. Тем не менее в программе «Холод» было запланировано проведение летного эксперимента ГПВРД, получившего обозначение С-57. Эта работа носила комплексный характер: нужно было подготовить гиперзвуковую летающую лабораторию на базе зенитной ракеты С-200, разработать стартово-пусковой комплекс, создать сам ГПВРД и систему регулирования подачи топлива, бортовую систему хранения и подачи жидкого водорода, заправочный и транспортный комплекс жидкого водорода и т. д.
Сам ГПВРД по техническому заданию ЦИАМ был разработан (с участием Тушинского моторного КБ) в знаменитом воронежском КБ «Химавтоматика» (основатель - С.А. Косберг), разрабатывавшем жидкостные ракетные двигатели как для космоса, так и для боевых ракет В. Челомея. Двигатель имел осесимметричный воздухозаборник и устанавливался в головной части ракеты. В ЦАГИ были проведены аэродинамические продувки воздухозаборника и ракеты С-200. Предприятие «Криогенмаш» разработало систему бортового хранения водорода. Летающую лабораторию, естественно, создавали разработчики С-200. Активное участие в проекте принимали организации Минобороны - испытания планировалось провести на полигоне «Сары-Шаган» (Казахстан).
На летный эксперимент российский ГПВРД вышел раньше американского. Уже в 1991 г. был проведен первый полет с запуском ГПВРД длительностью 27,5 секунды с автоматическим включением и выключением камеры сгорания. Это был крупный успех, несмотря на имевшийся прогар камеры сгорания. Но в 1992 г… финансирование этой программы прекратилось: все мы хорошо помним то время «либеральных» реформ. Деньги нашли во Франции в обмен на информацию, и в конце 1992 г. было проведено второе, еще более успешное испытание С-57, во время которого двигатель отработал 40 секунд, в том числе более 20 секунд в режиме сверхзвукового горения в камере. При испытании присутствовали и французские инженеры.
В 1994 г. к этой программе подключились и американцы (НАСА) - использовать готовые инфраструктуру и объект исследования было очень заманчиво. НАСА заключило контракт на участие в этом эксперименте с соответствующим финансированием. В качестве цели испытания было сформулировано достижение скорости полета, соответствующее числу М=6,5, и демонстрация устойчивой работы ГПВРД. В связи с этим требованием ГПВРД был доработан, в том числе улучшена система охлаждения камеры сгорания, и 12 февраля 1998 г. летное испытание ГПВРД было успешно проведено. Двигатель отработал без разрушения положенные 70 секунд и была достигнута максимальная заданная скорость. Следует отметить, что американский ГПВРД Х-43 совершил первый гиперзвуковой полет в 2001 г., достигнув скорости М=6,8. Несмотря на очевидный успех российского эксперимента, многие задачи остались нерешенными. И одна из главных - определение реального внешнего сопротивления летательного аппарата. Для этого необходим автономный (без ракетного «бустера») полет.
Проект гиперзвукового самолета Ту-2000.
Что же дальше? Американцы пошли своим путем, реализуя масштабную «дорожную карту», получившую название «Гиперзвуковой доступ в космос» с окончанием в 2025 г. Им деваться некуда - «шаттлы» нужно скорее списывать, а летать в космос не на чем. Надо думать, что после двух катастроф «космических челноков» директор НАСА должен был креститься, прежде чем подписать разрешение на очередной полет. У России же денег, вернее, понимания в руководстве страны, для форсирования такой подлинно инновационной темы не оказалось. А вот Франция тоже по бедности «зацепилась» за Россию: экспериментальный гиперзвуковой летательный аппарат LEA длиной 4,2 метра планируется испытывать с помощью российской системы вывода на расчетные параметры полета. Сам аппарат представляет собой классический самолет с «плоскими» воздухозаборником и соплом. Нижние поверхности этого самолета одновременно являются внешними поверхностями торможения потока в передней части и расширения его после подвода тепла в задней части. Контракт (2006 г.) с российской стороны поддерживает Рособоронэкспорт. В числе российских участников предприятие «Радуга» (ракетный «бустер»), ЦАГИ (аэродинамические продувки), Летно-исследовательский институт им. Громова (телеметрия), ЦИАМ и Московский авиационный институт (отработка процессов горения и математическое моделирование процессов).
Схема гиперзвукового прямоточного реактивного двигателя со сверхзвуковым горением при М›4. Видны убирающиеся (при работе на гиперзвуке) стабилизаторы пламени.
Планируется в течение 2013…2015 гг. выполнить четыре полета длительностью 30–40 секунд в диапазоне гиперзвуковых скоростей М = 4–8 на высоте 30–40 км. Вывод на расчетные параметры полета должен осуществляться последовательно с помощью сверхзвукового бомбардировщика Ту-22МЗ («бустер» + LEA), затем «бустерная» ракета с аппаратом должны отделиться от самолета, и с помощью нее аппарат должен быть выведен на расчетную высоту, на которой он совершит горизонтальный полет. В результате этих испытаний планируется получить ключевую информацию как о свойствах гиперзвукового самолета, так и о процессах горения и охлаждения в двигателе. Пожелаем успеха этому проекту. Все хорошо, вот только если бы не Оборонпром с его безудержным желанием заработать денег без надежного и, как кажется чиновникам, слишком дорогого инженерного обеспечения.
Гиперзвуковая скорость – это полёт со скоростью от ЧЕТЫРЁХ скоростей звука и более. Среди авиационных специалистов чаще всего используется название не «скорость звука», а «Мах». Это название произошло от фамилии австрийского учёного физика Эрнста Маха (Ernst Mach), который исследовал аэродинамические процессы, сопровождающие сверхзвуковое движение тел. Таким образом, 1Мах – это ОДНА скорость звука. Соответственно гиперзвуковая скорость – это ЧЕТЫРЕ Маха и более. В 1987-м году 7-го декабря в Вашингтоне главы государств СССР и США, Михаил Горбачёв и Рональд Рейган подписали договор о ликвидации ядерных ракет средней дальности «Пионер» и «Першинг-2». В результате этого события произошла остановка разработки советской стратегической крылатой ракеты «Х-90», которая обладала гиперзвуковой скоростью полёта. Создатели ракеты Х-90 получили разрешение провести только ОДИН испытательный полёт. Данное успешное испытание могло привести к грандиозному переоснащению советских ВВС летательными аппаратами с гиперзвуковой скоростью полёта, которые могли бы обеспечить превосходство в СССР воздухе.
В 1943-м году американская авиакомпания « Bell » приступила к созданию самолёта, который должен был преодолеть скорость звука. Пуля, выстреленная из винтовки, летит быстрее скорости звука, поэтому над формой фюзеляжа нового самолёта долго не думали. Его конструкция предполагала большой запас прочности. В некоторых местах обшивка превышала толщину ОДИН сантиметр. Пулька получилась тяжёлая. О самостоятельном взлёте не могло быть и речи. В небо новый самолёт поднимался с помощью бомбардировщика В-29. Американский самолёт, предназначенный для преодоления скорости звука, получил название «Х-1» (смотри статью «Неизвестные самолёты»). Форма фюзеляжа Х-1 могла бы подойти и для гиперзвуковой скорости полёта.
Гражданский лётчик-испытатель Чалмерс Гудлин поставил условие – премия за преодоление скорости звука 150 000 долларов! Тогда зарплата капитана ВВС США составляла 283 доллара в месяц. Молодой капитан в возрасте 24-х лет Чак Йегер, боевой офицер лётчик асс, сбивший 19 фашистских самолётов, 5 из них в одном бою, решил, что это ОН преодолеет скорость звука. Никто не знал, что во время полёта на преодоление скорости звука у него были сломаны два ребра, и плохо шевелилась правая рука. Это произошло в результате падения с лошади во время прогулки с женой накануне. Чак Йегер понимал, что это его крайний полёт перед больницей и промолчал, чтобы полёт НЕ отменили. Преодоление скорости звука станет первым этапом на пути продвижения к гиперзвуковой скорости полёта.
В 1947-м году 14-го октября во вторник с секретной авиабазы поднялся в небо американский стратегический бомбардировщик В-29 с прикреплённым к бомбовому отсеку самолётом. На высоте примерно 7 км от него отделился пилотируемый аппарат в то время необычной формы. Через несколько минут раздался оглушительный хлопок, как при выстреле из нескольких пушек одновременно, но это была НЕ катастрофа. В этот день американский лётчик-испытатель Чарльз Элвуд Йегер, более известный как Чак Йегер (Chuck Yeager) или Чак Игер, впервые в истории человечества преодолел СКОРОСТЬ ЗВУКА на ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОМ самолёте Х-1. Сверхзвуковой самолёт Х-1 обладал максимальной скоростью полёта – 1 556 км/ч и это с прямым крылом, практический потолок Х-1 – 13 115 метров, максимальная тяга двигателя – 2 500 кгс. Приземлялся Х-1 сам, в планирующем режиме. Позже на этой же авиабазе, более известной как «Зона-51», расположенной на дне высохшего солёного озера Грум (Groom), на юге штата Невада проводились испытания аппаратов с гиперзвуковой скоростью полёта.
После принятия в США доктрины ядерной войны количество стратегических бомбардировщиков в США увеличилось в четыре раза. Защищать бомбардировщики должны были тысячи реактивных истребителей F -80 и F -82. Через один год после Чака Йегера скорость звука преодолел и советский лётчик-испытатель Иван Евграфович Фёдоров на истребителе «Ла-176».
Первая советская КРЫЛАТАЯ ракета «Буря» на стартовой площадке во время старта
Стреловидность крыла Ла-176 составляла 45 градусов, максимальная тяга двигателя — 2 700 кгс, практический потолок – 15 000 м, максимальная скорость — 1 105 км/ч. В тот момент пределом для пилотируемой авиации казались 2-3 скорости звука. Но на секретном полигоне СССР уже тогда проходила испытания техника, обладающая гиперзвуковой скоростью полёта. Это была ракета «Р-1» с максимальной скоростью полёта 1 465 м/с и дальностью полёта 270 км. И спытания Р-1 проводились на полигоне «Капустин яр» в Астраханской области. Будущим летательным аппаратам, двигающимся с гиперзвуковой скоростью, требовались не только новые двигатели и новые материалы, но и новое топливо. Секретным топливом для баллистической ракеты Р-1 служил этиловый спирт высшей категории очистки.
Первая советская КРЫЛАТАЯ ракета «Буря» в полёте
БАЛЛИСТИЧЕСКАЯ ракета Р-1 разрабатывалась под руководством Сергея Павловича Королёва. Справедливости ради скажем, что в разработке Р-1 также принимали активное участие часть немецких ракетных специалистов, которые переехали в СССР после Второй Мировой войны. Ракета Р-1 стала отправной точкой в разработке МЕЖКОНТИНЕНТАЛЬНЫХ баллистических ракет, которые обладали гиперзвуковой скоростью и должны были быть абсолютно НЕУЯЗВИМЫМИ средствами доставки ядерного оружия. Первый Искусственный Спутник Земли и первый полёт человека в космос получились уже вследствие появления межконтинентальных баллистических ракет.
Американский космический корабль многоразового использования «Спэйс-Шатл» во время движения на стартовый комплекс
Первый успешный пуск советской баллистической ракеты Р-1 был осуществлён 10-го октября 1948-го года. Для достижения военного равновесия с США требовались ракеты с дальностью полёта НЕ сотни, а тысячи километров. Испытания ракет Королёва шли успешно, и каждая последующая модель приобретала всё большую гиперзвуковую скорость полёта и всё большую дальность полёта. На повестку дня вышел вопрос о замене ракетного топлива. Этиловый спирт в качестве топлива перестал подходить из-за своей недостаточной скорости горения и из-за своей недостаточной теплоёмкости, то есть количества энергии. Дело в том, что для того чтобы летать на гиперзвуковых скоростях в качестве топлива подходит только ВОДОРОД. Ни на каком другом химическом элементе так быстро летать нельзя! Водород обладает большой скоростью горения и большой теплоёмкостью, то есть высокой температурой горения, имея при этом минимально возможный объём водородного топлива. Соответственно при применении ВОДОРОДА получается максимальная тяга двигателя. Кроме всего этого ВОДОРОДНОЕ топливо является АБСОЛЮТНО ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫМ топливом!!! С.П.Королёв считал, что именно это топливо позволит решить проблему передвижения в околоземном пространстве на гиперзвуковых скоростях полёта.
Американский космический корабль многоразового использования «Спэйс-Шатл» во время работы на орбите
Однако существовал ещё один вариант решения космических скоростей. Его предложили известные академики Михаил Кузьмич Янгель и Владимир Николаевич Челомей. Это была жидкость с аммиачным запахом и в отличие от водорода была простой и очень недорогой в производстве. Но когда Королёв узнал, что это такое, он пришёл в УЖАС! Это прекрасное ракетное топливо называлось ГЕПТИЛ. Он оказался в ШЕСТЬ РАЗ ЯДОВИТЕЕ СИНИЛЬНОЙ КИСЛОТЫ и по степени опасности соответствовал БОЕВЫМ отравляющим веществам «ЗАРИН» и «ФОСГЕН»! Однако правительство СССР решило, что ракетное оружие важнее возможных последствий и что оно должно быть создано любой ценой. Впоследствии на топливе гептиле летали ракеты Янгеля и Челомея.
В 1954-м году советская разведка получила секретное сообщение от резидента в США, благодаря которому и в СССР начались работы по созданию авиации с гиперзвуковой скоростью полёта. В США этот проект получил название «Наваху». Через два месяца после секретного сообщения вышло постановление советского правительства о начале создания стратегической КРЫЛАТОЙ ракеты. В СССР разработку такой ракеты поручили КБ С.А.Лавочкина (смотри статью «Семён Алексеевич Лавочкин»). Проект получил название «Буря». Всего через ТРИ года «Буря» начала проходить испытания на полигоне «Капустин яр»!!! Компоновка «Бури» соответствовала современному американскому многоразовому космическому кораблю «Спэйс Шатл». На момент испытаний «Бури» стало известно, что американский проект «Наваху» ЗАКРЫЛИ. Это произошло, скорее всего, из-за того, что американские конструкторы в тот момент не смогли создать необходимые двигатели.
«Буря» была рассчитана не на гиперзвуковую скорость полёта, а на чуть меньшую скорость, на ТРИ с ПОЛОВИНОЙ скорости звука. Это было обусловлено тем, что на тот момент ещё не создали материалы, которые выдерживали бы НАГРЕВ ОБШИВКИ соответствующий гиперзвуковой скорости. Также и бортовые приборы должны были сохранять работоспособность при большой температуре нагрева. При создании «Бури» ещё только начали разрабатывать материалы выдерживающие данные температурные условия нагрева.
На момент ТРЁХ удачных пусков крылатой ракеты «Бури», обладающей ДО гиперзвуковой скоростью, ракеты Королёва, «Р-7», уже вывели на околоземную орбиту первый искусственный спутник Земли и первое живое существо – дворняжку по кличке «Лайка». В это время руководитель СССР Н.С.Хрущёв в интервью для Западной прессы во всеуслышанье заявил, что на ракету Р-7 можно установить ЯДЕРНЫЙ заряд и поразить ЛЮБУЮ ЦЕЛЬ на территории США. С этого момента ОСНОВОЙ ракетно-космической обороны СССР стали межконтинентальные баллистические ракеты. Крылатая ракета «Буря» делалась для выполнения этой же самой задачи, но тогдашнее правительство СССР посчитало, что тащить обе эти программы, одновременно, будет слишком накладно и «Бурю» ЗАКРЫЛИ???
В конце 1950-х и все 1960-е года и в США и в СССР проводились эксперименты по созданию перспективной авиационной техники, обладающей гиперзвуковой скоростью полёта. Но в плотных слоях атмосферы летательные аппараты слишком перегревались, а в некоторых местах даже плавились, поэтому достижение гиперзвуковой скорости в АТМОСФЕРЕ вновь и вновь откладывалось на неизвестное время. В США существует программа создания экспериментальных самолётов под названием «Х», с помощью которых исследуется полёт на гиперзвуковых скоростях. Американские военные возлагали большие надежды на экспериментальный самолёт «Х-31», но 15-го ноября 1967-го года через 10 секунд полёта на гиперзвуковой скорости Х-31 взорвался. После этого программа экспериментальных самолётов «Х» была приостановлена, но только на некоторое время. Так в середине 1970-х годов на американском экспериментальном самолёте «Х-15» на высоте около 100 км была достигнута гиперзвуковая скорость полёта, равная 11-ти скоростям звука (3,7 км/сек)!!!
В середине 1960-х годов и США и СССР независимо друг от друга и одновременно приступили к созданию уже серийных самолётов летающих с крейсерской скоростью ТРИ Маха! Полёт с ТРЕМЯ скоростями звука в АТМОСФЕРЕ очень сложная задача! В результате КБ Келли Джонсона на фирме «Локхид» и КБ А.И.Микояна на МиГе (смотри статью «Артём Иванович Микоян») создали два шедевра авиационной техники. Американцы — стратегический разведчик « SR -71″ Blackbird (смотри статью « SR -71»). Русские лучший в мире истребитель-перехватчик «МиГ-25» (смотри статью «МиГ-25»). Снаружи SR-71 имеет чёрный цвет НЕ из-за чёрной краски, а из-за ФЕРРИТОВОГО покрытия, которое очень эффективно отводит тепло. Позже SR -71 был доведён до гиперзвуковой скорости полёта 4 800 км/ч. МиГ-25 успешно использовался во время войны Израиля с Египтом в качестве высотного разведчика. Весь полёт на МиГ-25 над Израилем занимал ДВЕ МИНУТЫ!!! Израильские ПВО утверждают, что МиГ-25 обладает ТРЕМЯ С ПОЛОВИНОЙ скоростями звука (4 410 км/ч или 1 225 м/с)!
Превосходство в воздухе может обеспечить и воздушно-космическая авиация. В результате работ по данной тематике появились космические корабли МНОГОРАЗОВОГО использования американский «Спейс-Шатл» и советский «Буран» (смотри статью «Буран космический корабль»). При посадке на землю космические корабли многоразового использования входят в атмосферу с Первой Космической скоростью, 7,9 км/сек – это в 23,9 раза больше скорости звука. Для защиты от перегрева при входе в атмосферу, многоразовые космические корабли снаружи покрывают специальной КЕРАМИЧЕСКОЙ плиткой. Понятно, что даже при НЕ очень большом нарушении этого керамического покрытия на гиперзвуковой скорости произойдёт катастрофа.
После бесплодных поисков универсальных средств защиты от перегрева борьба за первенство в воздухе переместилась на другую — сверхнизкую высоту. КРЫЛАТЫЕ ракеты перешли на высоту полёта около 50-ти метров, на, ДО гиперзвуковые скорости полёта, около 850 км/ч с технологией ОГИБАНИЯ РЕЛЬЕФА местности. Американская крылатая ракета получила название «Томагавк» (Tomahawk), а советский аналог «Х-55». Обнаружение крылатой ракеты радаром затруднено потому, что сама ракета благодаря новейшей системе самонаведения имеет небольшие размеры и соответственно малую отражающую площадь. Также поражение крылатой ракеты затруднено по причине активного, непредсказуемого маневрирования во время полёта. Создание советской крылатой ракеты Х-55 было поручено КБ «Радуга», руководителем которого являлся Игорь Сергеевич Селезнёв.
Однако расчёты показали, что почти полную неуязвимость крылатой ракеты может обеспечить только гиперзвуковая скорость полёта в пять-шесть раз больше скорости звука (5-6 Махов), что соответствует, скорости примерно два км/сек. На первых же испытаниях новой техники конструкторы опять столкнулись с той же проблемой температурного перегрева. При достижении заданной гиперзвуковой скорости полёта поверхность ракеты нагревалась почти до 1 000 градусов Цельсия и первыми выходили из строя антенны управления. Тогда Игорь Селезнёв отправился в Ленинград на предприятие «Ленинец», где изготавливали бортовую радиоэлектронику. Специалисты дали НЕ утешительное заключение. Сделать управляемую ракету, летящую на гиперзвуковой скорости в плотных слоях атмосферы невозможно.
Но один из сотрудников НИИ, а именно предложил оригинальную идею. Почему бы керосин, находящийся на борту крылатой ракеты в качестве топлива не использовать ещё и в качестве ОХЛАДИТЕЛЯ головки самонаведения. Были проведены эксперименты по созданию системы охлаждения с помощью бортового топлива, керосина. В ходе работ Фрайнштадт пришёл к выводу, что керосин НЕ обладает достаточным количеством энергии для полёта на гиперзвуковой скорости и что необходимым топливом для гиперзвуковой скорости является ВОДОРОД. Но Фрайнштадт предложил получать водород из керосина прямо на борту ракеты. Концепция такого двигателя получила название «Аякс».
Советский космический корабль многоразового использования «Буран» Хорошо видно теплоизоляционное покрытие корабля состоящее из специальных КЕРАМИЧЕСКИХ плиток
В то время эта идея показалась слишком фантастичной. В результате на вооружение была принята крылатая ракета с дозвуковой скоростью полёта Х-55. Но даже такая ракета стала выдающимся научно-техническим достижением. Краткие технические характеристики крылатой ракеты Х-55: длина — 5,88 м; диаметр корпуса — 0,514 м; размах крыльев — 3,1 м; стартовый вес — 1195 кг; дальность полёта — 2 500 км; скорость полёта — 770 км/ч (214 м/с); высота полёта от 40 до 110 м; масса боевой части — 410 кг; мощность боевой части — 200 кт; точность попадания до 100 м. В 1983-м году после принятия на вооружение крылатой ракеты Х-55 в Министерстве Обороны был поставлен вопрос о свёртывании работ по созданию двигателя обеспечивающего гиперзвуковую скорость полёта. Но именно в этом году тема гиперзвуковых летательных аппаратов стала всё чаще мелькать в донесениях советской разведки.
Советский космический корабль многоразового использования «Буран» на орбите
В рамках программы «Звёздные войны» американское правительство начало финансирование разработки аппаратов одинаково успешно летающих и в атмосфере и в космосе. Принципиально новым воздушно-космическим оружием должны были стать аппараты с гиперзвуковой скоростью полёта. После успешного создания Х-55, Игорь Селезнёв, не дожидаясь создания действующей модели аппарата «Аякс», приступил к разработке крылатой ракеты, летающей с гиперзвуковой скоростью. Такой ракетой стала крылатая ракета «Х-90», которая должна была летать на традиционном керосине со скоростью более 5-ти Махов. КБ Селезнёва удалось решить проблему температурного перегрева. Предполагалось, что Х-90 будет стартовать из СТРАТОСФЕРЫ. Благодаря этому температура нагрева корпуса ракеты сводилась к минимуму. Однако была и ещё одна причина принятия такой высоты пуска ракеты. Дело в том, что к этому моменту времени более, менее научились сбивать баллистические ракеты, научились сбивать самолёты и научились сбивать крылатые ракеты, летящие на сверхмалых высотах с дозвуковой скоростью полёта. Остался нетронутым только один слой стратосферы – это слой между атмосферой и космосом. Возникла идея «прошмыгнуть» незамеченным именно в области стратосферы, используя гиперзвуковую скорость.
Американская крылатая ракета «Томагавк» Запуск с корабельной установки
Однако после первого успешного пуска Х-90 все работы по этой ракете были прекращены??? Это произошло благодаря распоряжению нового руководителя СССР, М.С.Горбачёва. В это время в Ленинграде, Владимир Фрайнштадт организовал группу учёных энтузиастов для создания гиперзвукового двигателя «Аякс». Эта группа Фрайнштадта не просто создавала агрегат по переработке керосина в водород, но и училась управлять возникающей во время полёта на гиперзвуковой скорости, разрушительной ПЛАЗМОЙ вокруг аппарата. Это намечало технологический прорыв всей пилотируемой авиации! Группа Фрайнштадта приступила к подготовке первого полёта гиперзвуковой модели. Однако в 1992-м году проект «Аякс» ЗАКРЫЛИ из-за прекращения финансирования??? В 1980-х годах, в СССР разработки летательных аппаратов летающих с гиперзвуковыми скоростями находились на передовых позициях в мире!!! Этот задел был потерян уже только в 1990-х годах.
Американская крылатая ракета «Томагавк» непосредственно перед попаданием в цель
ЭФФЕКТИВНОСТЬ и ОПАСНОСТЬ боевых летательных аппаратов летающих с гиперзвуковыми скоростями была ОЧЕВИДНА уже тогда, в 1980-х годах. В 1998-м году в начале августа в непосредственной близости от американских посольств в Кении и Танзании прогремели мощные взрывы. Эти взрывы устроила мировая террористическая организация «Алькаида», руководителем которой являлся, Усама Бен Ладен. В этом же году 20-го августа американские корабли, находившиеся в Аравийском море, произвели боевой пуск восьми крылатых ракет «Томагавк». Через два часа ракеты попали в территорию лагеря террористов, расположенную в Афганистане. Далее в секретном донесении президенту США, Б. Клинтону агенты сообщили, что главная цель ракетного удара по базе «Алькаиды» в Афганистане НЕ достигнута. Через полчаса после СТАРТА ракет Бен Ладен о летящих на него ракетах был ПРЕДУПРЕЖДЁН по спутниковой связи и покинул базу примерно за один час до взрывов. Из этого результата американцы сделали вывод такой, что данную боевую задачу могли бы выполнить ракеты только с гиперзвуковой скоростью полёта.
Через несколько дней управление перспективных разработок Министерства Обороны США подписало долгосрочный договор с фирмой «Боинг». Авиационная фирма получила много миллиардный заказ на создание универсальной крылатой ракеты обладающей гиперзвуковой скоростью полёта, ШЕСТЬ Махов. Заказ стал масштабным проектом, который позволит США создать перспективные системы вооружения и авиации. В дальнейшем гиперзвуковые аппараты в процессе своего развития могут превратиться в аппараты МЕЖСРЕДНЫЕ, которые смогут многократно переходить из атмосферы в космос и обратно, при этом активно маневрируя. Такие аппараты благодаря своей нестандартной и непредсказуемой траектории полёта могут представлять очень большую опасность.
В июле 2001-го года в США был осуществлён запуск экспериментального самолёта «Х-43А». Он должен был достичь гиперзвуковой скорости полёта, СЕМЬ Махов. Но аппарат потерпел крушение. Вообще создание техники с гиперзвуковой скоростью полёта по ТРУДНОСТИ сравнимо с созданием атомного оружия. Новейшие американские гиперзвуковые крылатые ракеты предположительно будут летать на высотах стратосферы. В последнее время гонка по созданию гиперзвукового аппарата началась снова. Двигатель новой гиперзвуковой ракеты может стать плазменным, то есть температура горючей смеси, используемая в двигателе, станет равной горячей ПЛАЗМЕ. Предсказать время появления аппаратов с гиперзвуковой скоростью полёта в России, из-за недостаточного финансирования пока невозможно.
Предположительно в 2060-х годах в мире начнётся массовый переход пассажирской авиации, летающей на расстояния свыше 7 000 км, на гиперзвуковые скорости полёта при высотах полёта от 40 до 60 км. В 2003-м году американцы профинансировали свои исследования для своих будущих разработок пассажирских самолётов с гиперзвуковой скоростью полёта на советском сверхзвуковом пассажирском самолёте «Ту-144» (смотри статьи «Ту-144» и «Алексей Андреевич Туполев»). В своё время Ту-144 был изготовлен в количестве 19-ти штук. В 2003-м году один из трёх оставшихся в наличии Ту-144 отремонтировали и превратили в летающую лабораторию в РОССИЙСКО-АМЕРИКАНСКОЙ программе по отработке систем самолётов нового поколения. Американцы были в восторге от советского Ту-144!!!
Первые идеи ракетопланов – гиперзвуковых самолётов, летящих со скоростью 10-15 Махов, появились ещё в 1930-е годы. Однако тогда даже самые дальновидные конструкторы мало представляли, с какими трудностями придётся столкнуться идее, ДОЛЕТЕТЬ ДО ЛЮБОЙ ТОЧКИ НАШЕЙ ПЛАНЕТЫ ЗА ПОЛТОРА ЧАСА!!! На гиперзвуковых скоростях полёта в атмосфере кромки крыльев, воздухозаборников и других частей самолёта нагреваются до температуры плавления алюминиевых сплавов. Поэтому создание будущей гиперзвуковой авиации, целиком и полностью связано с химией, металлургией и разработкой новых материалов.
Обычные реактивные двигатели на скорости ТРИ Маха становятся уже НЕ эффективными (смотри статью «Новинки авиации»). При дальнейшем увеличении скорости необходимо предоставить возможность самому НАБЕГАЮЩЕМУ ПОТОКУ воздуха выполнять, роль компрессора, сжимающего воздух. Для этого достаточно, ВХОДНУЮ ЧАСТЬ двигателя сделать СУЖАЮЩЕЙСЯ. При гиперзвуковой скорости полёта степень сжатия набегающего потока воздуха такова, что его температура становится 1 500 градусов. Двигатель превращается в так называемый ПРЯМОТОЧНЫЙ двигатель, вообще без вращающихся частей. Но при этом он действительно работает!
В своё время советский учёный Владимир Георгиевич Фрайнштадт занимался проблемами охлаждения керосином, летящих из космоса ядерных боеголовок. Теперь конструкторы всего мира, благодаря его исследованиям, используют эффект скачкообразного повышения энергии сгорания перегретого керосина за счёт использования, выделяющегося при таких высоких температурах ВОДОРОДА. Этот эффект даёт очень большую мощность двигателю, который обеспечивает гиперзвуковую скорость полёта. В 2004-м году американцы дважды устанавливали рекорды скорости беспилотных ракетопланов. Х-43А отцеплялся от реактивного бомбардировщика «В-52» на высоте 12 000 метров. Ракета «Пегас» разгоняла его до скорости ТРИ Маха, а затем Х-43А запускал свой двигатель. Максимальная скорость полёта Х-43А составляла 11 265 км/ч (3 130 м/с), что соответствует 9,5 скоростям звука. Полёт на максимальной скорости занимал 10 секунд на высоте 35 000 метров. На скорости 9,5 Махов полёт из Москвы в Нью-Йорк занял бы чуть меньше 43-х минут!!! Американские учёные продолжают двигать авиационную науку!!!
Общие сведения
Полет на гиперзвуковой скорости является частью сверхзвукового режима полета и осуществляется в сверхзвуковом потоке газа. Сверхзвуковой поток воздуха коренным образом отличается от дозвукового и динамика полета самолета при скоростях выше скорости звука (выше 1,2 М) кардинально отличается от дозвукового полета (до 0,75 М, диапазон скоростей от 0,75 до 1,2 М называется трансзвуковой скоростью).
Определение нижней границы гиперзвуковой скорости обычно связано с началом процессов ионизации и диссоциации молекул в пограничном слое (ПС) около аппарата, который движется в атмосфере, что начинает происходить примерно при 5 М. Также данная скорость характеризуется тем, что прямоточный воздушно-реактивный двигатель («ПВРД ») с дозвуковым сгоранием топлива («СПВРД ») становится бесполезным из-за чрезвычайно высокого трения, которое возникает при торможении проходящего воздуха в двигателе этого типа. Таким образом, в гиперзвуковом диапазоне скоростей для продолжения полета возможно использование только ракетного двигателя или гиперзвукового ПВРД (ГПВРД) со сверхзвуковым сгоранием топлива.
Характеристики потока
В то время как определение гиперзвукового потока (ГП) достаточно спорно по причине отсутствия четкой границы между сверхзвуковым и гиперзвуковым потоками, ГП может характеризоваться определенными физическими явлениями, которые уже не могут быть проигнорированы при рассмотрении, а именно:
Тонкий слой ударной волны
По мере увеличения скорости и соответствующих чисел Маха, плотность позади ударной волны (УВ) также увеличивается, что соответствует уменьшению объема сзади от УВ благодаря сохранению массы. Поэтому, слой ударной волны, то есть объем между аппаратом и УВ становится тонким при высоких числах Маха, создавая тонкий пограничный слой (ПС) вокруг аппарата.
Образование вязких ударных слоев
Часть большой кинетической энергии, заключенной в воздушном потоке, при М > 3 (вязкое течение) преобразуется во внутреннюю энергию за счет вязкого взаимодействия. Увеличение внутренней энергии реализуется в росте температуры . Так как градиент давления, направленный по нормали к потоку в пределах пограничного слоя, приблизительно равен нулю, существенное увеличение температуры при больших числах Маха приводит к уменьшению плотности. Таким образом, ПС на поверхности аппарата растет и при больших числах Маха сливается с тонким слоем ударной волны вблизи носовой части, образуя вязкий ударный слой.
Появление волн неустойчивости в ПС, не свойственных до- и сверхзвуковым потокам
Высокотемпературный поток
Высокоскоростной поток в лобовой точке аппарата (точке или области торможения) вызывает нагревание газа до очень высоких температур (до нескольких тысяч градусов). Высокие температуры, в свою очередь, создают неравновесные химические свойства потока, которые заключаются в диссоциации и рекомбинации молекул газа, ионизации атомов, химическим реакциям в потоке и с поверхностью аппарата. В этих условиях могут быть существенны процессы конвекции и радиационного теплообмена .
Параметры подобия
Параметры газовых потоков принято описывать набором критериев подобия , которые позволяют свести практически бесконечное число физических состояний в группы подобия и которые позволяют сравнивать газовые потоки с разными физическими параметрами (давление, температура, скорость и пр.) между собой. Именно на этом принципе основано проведение экспериментов в аэродинамических трубах и перенос результатов этих экспериментов на реальные летательные аппараты, несмотря на то, что в трубных экспериментах размер моделей, скорости потока, тепловые нагрузки и пр. могут сильно отличаться от режимов реального полёта, в то же время, параметры подобия (числа Маха, Рейнольдса, Стантона и пр.) соответствуют полётным.
Для транс- и сверхзвукового или сжимаемого потока, в большинстве случаев таких параметров как число Маха (отношение скорости потока к местной скорости звука) и Рейнольдса достаточно для полного описания потоков. Для гиперзвукового потока данных параметров часто бывает недостаточно. Во-первых, описывающие форму ударной волны уравнения становятся практически независимыми на скоростях от 10 М. Во-вторых, увеличенная температура гиперзвукового потока означает, что эффекты, относящиеся к неидеальным газам становятся заметными.
Учет эффектов в реальном газе означает бо́льшее количество переменных, которые требуются для полного описания состояния газа. Если стационарный газ полностью описывается тремя величинами: давлением , температурой, теплоёмкостью (адиабатическим индексом), а движущийся газ описывается четырьмя переменными, которая включает еще скорость , то горячий газ в химическом равновесии также требует уравнений состояния для составляющих его химических компонентов, а газ с процессами диссоциации и ионизации должен еще включать в себя время как одну из переменных своего состояния. В целом это означает, что в любое выбранное время для неравновесного потока требуется от 10 до 100 переменных для описания состояния газа. Вдобавок, разреженный гиперзвуковой поток (ГП), обычно описываемый в терминах чисел Кнудсена , не подчиняются уравнениям Навье-Стокса и требуют их модификации. ГП обычно категоризируется (или классифицируется) с использованием общей энергии, выраженной с использованием общей энтальпии (мДж /кг), полного давления (кПа) и температуры торможения потока (К) или скорости (км/с).
Идеальный газ
В данном случае, проходящий воздушный поток может рассматриваться как поток идеального газа. ГП в данном режиме все еще зависит от чисел Маха и моделирование руководствуется температурными инвариантами , а не адиабатической стенкой , что имеет место при ме́ньших скоростях. Нижняя граница этой области соответствует скоростям около 5 М, где СПВРД с дозвуковым сгоранием становятся неэффективными, и верхняя граница соответствует скоростям в районе 10-12 М.
Идеальный газ с двумя температурами
Является частью случая режима потока идеального газа с большими значениями скорости, в котором проходящий воздушный поток может рассматриваться химически идеальным, но вибрационная температура и вращательная температура газа должны рассматриваться отдельно, что приводит к двум отдельным температурным моделям. Это имеет особое значение при проектировании сверхзвуковых сопел , где вибрационное охлаждение из-за возбуждения молекул становится важным.
Диссоциированный газ
Режим доминирования лучевого переноса
На скоростях выше 12 км/с передача тепла аппарату начинает происходить в основном через лучевой перенос, который начинает доминировать над термодинамическим переносом вместе с ростом скорости. Моделирование газа в данном случае подразделяется на два случая:
- оптически тонкий - в данном случае предполагается, что газ не перепоглощает излучение, которое приходит от других его частей или выбранных единиц объема;
- оптически толстый - где учитывается поглощение излучения плазмой, которое потом переизлучается в том числе и на тело аппарата.
Моделирование оптически толстых газов является сложной задачей, так как из-за вычисления радиационного переноса в каждой точке потока объем вычислений растет экспоненциально вместе с ростом количества рассматриваемых точек.
См. также
Примечания
Ссылки
- Anderson John Hypersonic and High-Temperature Gas Dynamics Second Edition. - AIAA Education Series, 2006. - ISBN 1563477807
- NASA’s Guide to Hypersonics (англ.) .
На этой неделе состоялся третий испытательный полет американского гиперзвукового летательного аппарата (ГЛА) X-51 AWaveRider - прототипа перспективной ракеты. Однако через 15 секунд после запуска, еще до начала работы основного двигателя, WaveRider потерял управление и упал в океан.
Предыдущее испытание, состоявшееся в прошлом году, тоже провалилось - ускоритель, разгоняющий аппарат до необходимой для запуска основного двигателя скорости, сработал не вовремя и не отделился. Однако ранее, в 2010-м, двигателю "машины" удалось проработать 200 секунд (планировалось 300), разогнав аппарат до пяти скоростей звука (5М). Продолжительность его работы, таким образом, втрое превысила предыдущий рекорд, поставленный российской/советской гиперзвуковой летающей лабораторией (ГЛЛ) "Холод". При этом, в отличие от отечественного аппарата, "американец" использовал в качестве топлива не водород, а авиационный керосин.
Нынешняя неудача, безусловно, затормозит гиперзвуковую программу США, на которую израсходовано $2 млрд. Однако это не отменяет того факта, что у Штатов уже есть ключевая для этой программы технология — работающий прототип гиперзвукового воздушно-реактивного двигателя (ГПВРД, он же скрамджет).
Потенциально такие двигатели способны разогнать летательный аппарат до 17 скоростей звука на водороде и до 8 - на углеводородном топливе. Однако для его работы необходимо добиться устойчивого горения топлива в сверхзвуковом воздушном потоке - что, по словам одного из разработчиков, ничуть не легче, чем удержать спичку зажженной в эпицентре урагана. Впрочем, еще не так давно считалось, что при использовании углеводородного топлива это в принципе невозможно, а единственным пригодным горючим для ГПРВД является взрывоопасный, создающий эксплуатационные трудности и "раздувающий" объемы топливных баков из-за низкой плотности водород. Тем не менее, начиная с 2004 года на Западе провели ряд относительно успешных испытаний летательных аппаратов — как водородных, так и "керосиновых".
В чем практический смысл двухмиллиардной программы? Проектная скорость Х-51 - 7М (около 7 тыс. км/ч для высоты 20 км), проектная дальность - 1600 км, высота полета - порядка 25 км. Иными словами, по "дальнобойности" он примерно соответствует крылатой ракете BGM-109 "Томогавк" (1600 км, с ядерной боевой частью - 2500 км) или баллистической ракете средней дальности - например, снятой с вооружения по договорам РСМД "Першинг-2" (1770 км). В чем преимущества "волнолета" по сравнению с "конкурентами"?
BGM-109 имеет дозвуковую скорость - 880 км/ч. Таким образом, полет на максимальную дальность занимает около двух часов. На протяжении этого времени ракета может быть обнаружена и уничтожена, а цель может переместиться. Безусловно, летящая на высоте порядка 60 м над землей и обладающая малой радиолокационной заметностью уже в силу размеров крылатая ракета - весьма проблемная цель для ПВО. Однако известны и успешные примеры обороны атакуемых объектов от "Томагавков" — например, иракского ядерного центра во время "Бури в пустыне".
Баллистическая ракета с дальностью того же порядка имеет среднюю скорость около 10 тыс. км/ч. Однако, во-первых, "баллистики" могут быть засечены из космоса уже в момент старта - внушительный факел от работающих ракетных двигателей достаточно хорошо заметен. Во-вторых, максимальная высота траектории баллистических ракет такой дальности приближается к 400 км, поэтому они довольно рано "засвечиваются" на радарах ПРО. В-третьих, "баллистики" — неманеврирующая цель, что делает возможным их перехват даже зенитными ракетами, наводящимися в точке упреждения. В целом при современном развитии систем ПРО баллистическая ракета средней дальности является достаточно уязвимой целью.
При этом баллистические ракеты - феноменально неэффективное средство доставки по соотношению стартовой массы и полезной нагрузки. Химические ракетные двигатели сочетают огромную тягу с еще более чудовищной прожорливостью, а баллистические полеты в принципе энергозатратны. В итоге, например, "Першинг-2" при стартовой массе в 7,4 т нес боевую часть в 399 кг. Для сравнения - "Томагавки" несут почти столько же при собственном весе около полутора тонн.
Теперь сравним с гиперзвуковыми ракетами. Скорость и подлетное время, в общем, сопоставимы с таковым у "Першинг-2". При этом Х-51, во-первых, использует гораздо более экономичный воздушно реактивный двигатель. Во-вторых, не забирается на высоту 400 км, "сообщая" о своем присутствии всем окрестным радарам ПРО. В-третьих — способен активно маневрировать. Заметим, что как показали испытания, проведенные в 2007-м шведской SaabBofors, на скоростях 5,5 М возможны сложные маневры даже в плотных слоях атмосферы. В итоге перехват WaveRider возможен только если перехватчик заметно превосходит последнего в скорости и маневренности. Сейчас таких перехватчиков просто нет.
Существующие комплексы ПРО также неспособны бороться с гиперзвуковыми ракетами класса X-51. При этом даже в случае принципиальной возможности поражения высокая скорость цели резко уменьшает зону перехвата.
Иными словами, WaveRider сочетает подлетное время, сопоставимое с баллистическими ракетами средней дальности, с гораздо меньшей заметностью и фактической неуязвимостью по отношению к современной ПВО/ПРО. Между тем, в свое время руководство СССР пошло на все, чтобы убрать "Першинги" из Европы, разменяв их на гораздо большее количество собственных ракет средней дальности - и не зря. 8-10-минутное подлетное время американских ракет превращало их в почти идеальное средство обезоруживающего и "обезглавливающего" удара - у подвергшихся атаке просто не оставалось времени на ответную реакцию. В случае доведения Х-51 до серии ситуация воспроизведется в ухудшенном варианте - при том, что создание ядерных вариантов "волнолетов" вполне возможно.
При этом применение ГПРВД не ограничивается аппаратами средней дальности. С одной стороны, по мнению консультативной группы HАТО по космическим исследованиям и разработкам (AGARD), скрамджеты могут быть широко использованы в чисто тактических системах малой дальности - это противотанковые ракеты (предназначенные также для поражения укреплений), ракеты "воздух-воздух" и малокалиберные (30-40 мм) снаряды для поражения воздушных целей. Еще одно вероятное направление - использование ГПВРД в противоракетах, предназначенных для перехвата баллистических ракет на начальном участке траектории.
С другой стороны, применение гиперзвуковых технологий способно привести к появлению принципиально новых классов стратегических систем. Наиболее консервативный вариант - использование гиперзвуковых аппаратов в качестве "маневрирующих боеголовок" для традиционных баллистических ракет.
Отметим, что баллистическая ракета большой дальности мало уязвима на среднем участке траектории (поскольку окружена огромным количеством легких ложных целей, дипольными отражателями и постановщиками помех), но уязвима на начальном и конечном участках траектории (легкие ложные цели отсеиваются самой атмосферой, в итоге боеголовку сопровождает только небольшое количество тяжелых ЛЦ). При этом и боеголовка, и ее "свита" представляют собой набор неманеврирующих баллистических целей, что радикально облегчает задачу ПРО. Однако скоростная и маневрирующая "машина" с ГПВРД практически неуязвима для нынешних средств ПВО и ПРО. В итоге, объединив классическую МБР с гиперзвуковым маневрирующим боевым блоком, можно добиться надежного прорыва соответствующего эшелона противоракетной обороны.
Иными словами, речь идет о технологии, способной действительно совершить переворот в военном деле. Гиперзвуковая угроза неизбежно станет реальностью в весьма обозримом будущем.
Почетный генеральный директор и почетный генеральный конструктор ОАО «ВПК НПО машиностроения», профессор МГТУ имени Баумана — о создании и развитии гиперзвуковых летательных аппаратовСоздание и разработка боевых гиперзвуковых летательных аппаратов — это один из самых больших секретов не только в России, но и в США, Китае и других странах мира. Сведения о них относятся к категории «совершенно секретно» — top secret. В эксклюзивном интервью «Известиям» легендарный конструктор ракетной и космической техники Герберт Ефремов, посвятивший более 30 лет созданию гиперзвуковой техники, рассказал, что такое гиперзвуковые аппараты и с какими сложностями приходится сталкиваться при их разработке.
— Герберт Александрович, сейчас много говорят о создании гиперзвуковых летательных аппаратов, но большая часть информации о них закрыта для широкой общественности...
— Начнем с того, что изделия, развивающие гиперзвуковую скорость, созданы уже давно. К примеру, это обычные головки межконтинентальных баллистических ракет. Входя в атмосферу Земли, они развивают гиперзвуковую скорость. Но они неуправляемые и летят по определенной траектории. И их перехваты средствами противоракетной обороны (ПРО) продемонстрированы не раз.
Еще как пример я приведу нашу стратегическую крылатую ракету «Метеорит», которая когда-то летела с сумасшедшей скоростью 3 Маха — около 1000 м/с. Буквально на грани гиперзвука (гиперзвуковые скорости начинаются с 4,5 Маха. — «Известия»). Но главная задача современных гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЗЛА) не просто быстро прилететь куда-то, а выполнить боевую задачу с высокой эффективностью в условиях сильного противодействия противника. Например, у американцев одних эсминцев типа «Арли Берк» с противоракетами 65 штук в море. А еще есть 22 противоракетных крейсера типа «Тикондерога», 11 авианосцев — на каждом из которых базируется до сотни летательных аппаратов, способных создать практически непробиваемую систему противоракетной обороны.
— Вы хотите сказать, что скорость сама по себе ничего не решает?
— Грубо говоря, гиперзвуковая скорость — это 2 км/с. Чтобы преодолеть 30 км, надо лететь 15 секунд. На конечном же участке траектории, когда гиперзвуковой летательный аппарат приближается к объекту поражения, обязательно будут развернуты средства противоракетной и противовоздушной обороны противника, которые ГЗЛА обнаружат. А чтобы изготовиться современным системам ПВО и ПРО, если они развернуты на позициях, требуются считаные секунды. Поэтому для эффективного боевого применения ГЗЛА одной скоростью не обойдешься никак, если ты не обеспечил радиоэлектронную незаметность и непоражаемость для систем ПВО/ПРО на конечном участке полета. Здесь будет играть роль и скорость, и возможности радиотехнической защиты аппарата собственными станциями радиотехнических помех. Всё в комплексе.
— Вы говорите, что должна быть не только скорость — изделие должно быть управляемым, чтобы достигнуть цели. Расскажите о возможности управления аппаратом в гиперзвуковом потоке.
— Все гиперзвуковые аппараты летят в плазме. И боевые ядерные головки летят в плазме, и всё, что вышло за скорости 4 Маха, тем более 6. Вокруг образуется ионизированное облако, а не просто поток с завихрениями: молекулы разбиты еще на заряженные частицы. Ионизация влияет на связь, на прохождение радиоволн. Нужно, чтобы системы управления и навигации ГЗЛА на этих скоростях полета пробивали эту плазму.
На «Метеорите» мы должны были обязательно видеть земную поверхность радиолокатором. Навигацию обеспечивали сравнением локационных картинок с борта ракеты с заложенным в систему видеоэталоном. Иначе было невозможно. «Калибры» и прочие крылатые ракеты могут летать так: радиовысотомером сделал разведку рельефа местности — тут горка, тут река, тут долина. Но это возможно, когда летишь на высоте сотни метров. А когда поднимаешься на высоту 25 км, там никаких пригорков радиовысотомером не различишь. Поэтому мы находили на местности определенные участки, сравнивали с тем, что записано в видеоэталоне, и определяли смещение ракеты влево или вправо, вперед, назад и на сколько.
— Во многих учебниках для «чайников» гиперзвуковой полет в атмосфере сравнивается со скольжением по наждачной бумаге из-за очень высокого сопротивления. Насколько верно такое утверждение?
— Немного неточно. На гиперзвуке начинаются всякие турбулентные обтекания, завихрения и тряска аппарата. Меняются режимы теплонапряженности в зависимости от того, ламинарный (гладкий) поток на поверхности или со срывами. Трудностей очень много. Например, резко нарастает тепловая нагрузка. Если ты летишь со скоростью 3 Маха, у тебя нагрев обшивки ГЗЛА где-то 150 градусов в атмосфере в зависимости от высоты. Чем выше высота полета, тем меньше нагрев. Но при этом если ты летишь со скоростью в два раза выше, нагрев будет гораздо больший. Поэтому нужно применять новые материалы.
— А что можно привести в качестве примера таких материалов?
— Различные углеродные материалы. На ядерных боеголовках, которые стоят на межконтинентальных «сотках» (баллистические ракеты УР-100 разработки НПО машиностроения), применяются даже стеклопластики. При гиперзвуке температура — многие тысячи градусов. А сталь держит всего 1200 градусов Цельсия. Это же крохи.
Гиперзвуковые температуры уносят так называемый «жертвенный слой» (слой покрытия, который расходуется во время полета летательного аппарата. — «Известия»). Поэтому оболочка ядерных боеголовок рассчитана так, что большая ее часть будет «съедена» гиперзвуком, а внутренняя начинка сохранится. Но у ГЗЛА не может быть «жертвенного слоя». Если ты летишь на управляемом изделии, то должен сохранить аэродинамическую форму. Нельзя «затуплять» изделие, чтобы у него обгорали носок и кромки крыльев, и т.д. Это, кстати, было сделано на американских «Шаттлах», и на нашем «Буране». Там в качестве теплозащиты использовались графитовые материалы.
— Правильно ли пишут в научно-популярной литературе, что именно у гиперзвукового атмосферного аппарата конструкция должна быть как единое монолитное твердое тело?
— Не обязательно. Они могут состоять из отсеков и разных элементов.
— То есть возможна классическая схема строения ракеты?
— Конечно. Подбирай материалы, заказывай новые разработки, если надо, проверяй, отрабатывай на стендах, в полете, поправляй, если что-то получилось не так. Это еще и нужно уметь замерить сотнями телеметрических датчиков невероятной сложности.
— Какой двигатель лучше — твердотопливный или жидкостный для гиперзвукового аппарата?
— Твердотопливный здесь вообще не годится, потому что он может разогнать, но лететь долго с ним невозможно. Такие двигатели у баллистических ракет типа «Булава», «Тополь». В случае с ГЗЛА это неприемлемо. На нашей ракете «Яхонт» (противокорабельная крылатая ракета, входит в состав комплекса «Бастион». — «Известия») твердотопливный только стартовый ускоритель. Дальше она летит на жидкостном прямоточном воздушно-реактивном двигателе.
Есть попытки сделать прямоточный двигатель с внутренним содержанием твердого топлива, которое размазано по камере сгорания. Но его тоже не хватит на большие дальности.
Для жидкого топлива можно сделать бак меньше, любой формы. Один из «Метеоритов» летал с баками в крыльях. Он был испытан, потому что мы должны были добиться дальности 4-4,5 тыс. км. И летел он на воздушно-реактивном двигателе, работавшем на жидком топливе.
— А в чем отличие воздушно-реактивного двигателя от жидкостного реактивного двигателя?
— Жидкостный реактивный двигатель содержит окислитель и горючее в разных баках, которые смешиваются в камере сгорания. Воздушно-реактивный двигатель питается одним горючим: керосином, децилином или бицилином. Окислитель — набегающий кислород воздуха. Бицилин (топливо, получаемое из вакуумного газойля с применением гидрогенизационных процессов. — «Известия») как раз и был разработан по нашему заказу для «Метеорита». Это жидкое горючее имеет очень большую плотность, позволяющую делать бак меньшего объема.
— Известны фотографии гиперзвуковых летательных аппаратов именно с реактивным двигателем. Они все имеют интересную форму: не обтекаемую, а достаточно угловатую и квадратную. Почему?
— Вы, наверное, говорите о Х-90, или, как ее называют на Западе, AS-X-21 Koala (первый советский экпериментальный ГЗЛА. — «Известия»). Ну да, это неуклюжий медведь. Впереди стоят так называемые «доски», «клинья» (элементы конструкции с острыми углами, выступами. — «Известия»). Всё для того, чтобы поток воздуха, попадающий в двигатель, сделать приемлемым для сгорания и нормального горения топлива. Для этого мы создаем так называемые скачки уплотнения (резкое повышение давления, плотности, температуры газа и уменьшение его скорости при встрече сверхзвукового потока с каким-либо препятствием. — «Известия»). Скачки образуются как раз на «досках» и «клиньях» — тех элементах конструкции, которые гасят скорость воздуха.
По пути к двигателю может быть второй скачок уплотнения, третий. Весь нюанс в том, что в камеру сгорания воздух не должен заходить с той же скоростью, с которой летит ГЗЛА. Ее надо обязательно снизить. И очень даже сильно. Желательно до дозвуковых значений, для которых всё отработано, проверено и испытано. Но это именно та задача, которую создатели ГЗЛА пытаются решить и не решили за 65 лет.
Как только ты заскакиваешь за 4,5 Маха, в таком скоростном движении в двигатели очень быстро проскакивают воздушные частицы. А ты должен «свести» друг с другом распыленное топливо и окислитель — атмосферный кислород. Это взаимодействие должно быть с высокой полнотой сгорания топлива. Взаимодействие не должно срываться какими-то колебаниями, лишним дуновением внутри. Как это сделать, не придумал еще никто.
— А возможно ли создать ГЗЛА для гражданских нужд, для перевозки пассажиров и грузов?
— Возможно. На одном из парижских авиасалонов был показан самолет, разработанный французами совместно с англичанами. Турбореактивный двигатель поднимает его на высоту, а затем машина разгоняется примерно до 2 Махов. Затем открываются прямоточные воздушно-реактивные двигатели, которые выводят самолет на скорость 3,5 или 4 Маха. И дальше он летит на высоте километров 30 куда-нибудь из Нью-Йорка в Японию. Перед посадкой включается обратный режим: машина снижается, переходит на ТРД, как обычный самолет, входит в атмосферу и садится. В качестве топлива рассматривается водород, как наиболее калорийное вещество.
— В настоящее время наиболее активно разработку гиперзвуковых летательных аппаратов ведут Россия и США. Можете ли вы оценить успехи наших оппонентов?
— Что касается оценок, могу сказать — пусть ребята работают. За 65 лет ничего у них толком так и не сделано. На скоростях от 4,5 до 6 Махов нет ни одного реально сделанного ГЗЛА.