Гипер звуковая скорость равна. Гиперзвуковая скорость
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.
Которое определяется следующим образом: , где u - скорость движения потока или тела, - скорость звука в среде. Звуковая скорость определяется как , где - показатель адиабаты среды (для идеального n-атомного газа, молекула которого обладает степенями свободы он равен ). Здесь - полное число степеней свободы молекулы. При этом, количество поступательных степеней свободы . Для линейной молекулы количество вращательных степеней свободы , количество колебательных степеней свободы (если есть) . Для всех других молекул , .
При движении в среде со сверхзвуковой скоростью тело обязательно создаёт за собой звуковую волну. При равномерном прямолинейном движении фронт звуковой волны имеет конусообразную форму, с вершиной в движущемся теле. Излучение звуковой волны обуславливает дополнительную потерю энергии движущимся телом (помимо потери энергии вследствие трения и прочих сил).
Аналогичные эффекты испускания волн движущимися телами характерны для всех физических явлений волновой природы, например: черенковское излучение , волна, создаваемая судами на поверхности воды.
Классификация скоростей в атмосфере
При обычных условиях в атмосфере скорость звука составляет примерно 331 /сек . Более высокие скорости иногда выражаются в числах Маха и соответствуют сверхзвуковым скоростям, при этом гиперзвуковая скорость является частью этого диапазона. НАСА определяет «быстрый» гиперзвук в диапазоне скоростей 10-25 М , где верхний предел соответствует первой космической скорости . Скорости выше считаются не гиперзвуковой скоростью, а «скоростью возврата » космических аппаратов на Землю .
Сравнение режимов
| Режим | Числа Маха | км / | /сек | Общие характеристики аппарата |
|---|---|---|---|---|
| Дозвук | <1.0 | <1230 | <340 | Наиболее часто самолет с пропеллером или с ТВД , прямые или скошенные крылья. |
| Трансзвук (англ.) русск. | 0.8-1.2 | 980-1470 | 270-400 | Воздухозаборники и слегка стреловидные крылья, сжимаемость воздуха становится заметной. |
| Сверхзвук | 1.0-5.0 | 1230-6150 | 340-1710 | Более острые края плоскостей, хвостовое оперение цельноповоротное . |
| Гиперзвук | 5.0-10.0 | 6150-12300 | 1710-3415 | Охлаждаемый никелево-титановый корпус, небольшие крылья. (X-43) |
| Быстрый гиперзвук | 10.0-25.0 | 12300-30740 | 3415-8465 | Кремниевые плитки для теплозащиты, несущее тело аппарата вместо крыльев. |
| «Скорость возврата» | >25.0 | >30740 | >8465 | Аблятивный тепловой экран , нет крыльев, форма капсулы. |
Сверхзвуковые Объекты
Космические корабли и их носители, а также большинство современных истребителей разгоняются до сверхзвуковых скоростей. Также было разработано несколько пассажирских сверхзвуковых самолетов - Ту-144 , Конкорд , Аерион. Скорость вылета пули большинства образцов современного огнестрельного оружия больше М1.
См. также
Примечания
Wikimedia Foundation . 2010 .
- Электрическое напряжение
- Число Маха
Смотреть что такое "Сверхзвуковая скорость" в других словарях:
СВЕРХЗВУКОВАЯ СКОРОСТЬ - скорость движения среды или тела в среде, превышающая скорость звука в данной среде. Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983 … Физическая энциклопедия
СВЕРХЗВУКОВАЯ СКОРОСТЬ - СВЕРХЗВУКОВАЯ СКОРОСТЬ, скорость, превышающая локальную скорость звука. В сухом воздухе при температуре 0 °С эта скорость составляет 330 м/с или 1188 км/ч. Ее величина обычно выражается числом МАХА, которое представляет собой отношение скорости… … Научно-технический энциклопедический словарь
Сверхзвуковая скорость - 1) скорость V газа, превышающая местную скорость звука a: V > a (M > 1, M Маха число). 2) С. с. полёта скорость летательного аппарата, превышающая скорость звука в невозмущенном потоке (часто за полёт со С. с. понимают полёт со скоростью,… … Энциклопедия техники
Сверхзвуковая скорость - скорость перемещения тела (газового потока), превышающая скорость распространения звука в идентичных условиях. Характеризуется значениями Маха числа (М); имеет значения М от 1 до 5. Скорость, превышающая скорость звука более чем в 5 раз… … Морской словарь
СВЕРХЗВУКОВАЯ СКОРОСТЬ - скорость перемещения тела (газового потока), превышающая скорость распространения звука в идентичных условиях (скорость звука в воздухе при 0°С равна 331 м/с). Характеризуется числом Маха М (), имеющим значения от 1 до 5. Скорость, превышающая М… … Большая политехническая энциклопедия
сверхзвуковая скорость - Скорость газа, превышающая местную скорость звука, . [ГОСТ 23281 78] Тематики аэродинамика летательных аппаратов Обобщающие термины характеристики течения газа EN supersonic velocity … Справочник технического переводчика
сверхзвуковая скорость - viršgarsinis greitis statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Skraidymo aparato greitis, viršijantis garso greitį terpėje arba aplinkoje, kurioje jis juda. atitikmenys: angl. hypersonic velocity; supersonic velocity vok.… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
сверхзвуковая скорость - viršgarsinis greitis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. hypersonic velocity; supersonic velocity vok. Überschallgeschwindigkeit, f; Ultraschallgeschwindigkeit, f rus. сверхзвуковая скорость, f pranc. vitesse hypersonique, f … Fizikos terminų žodynas
сверхзвуковая скорость - viršgarsinis greitis statusas T sritis apsauga nuo naikinimo priemonių apibrėžtis Greitis, viršijantis garso greitį. atitikmenys: angl. supersonic speed; velocity rus. сверхзвуковая скорость … Apsaugos nuo naikinimo priemonių enciklopedinis žodynas
Обычный пассажирский самолет летает со скоростью порядка 900 км/час. Реактивный военный истребитель может развивать примерно втрое большую скорость. Однако современные инженеры из РФ и других стран мира активно разрабатывают еще более скоростные машины — гиперзвуковые самолеты. В чем специфика соответствующих концепций?
Критерии гиперзвукового самолета
Что такое гиперзвуковой самолет? Под таковым принято понимать аппарат, способный летать со скоростью, многократно превышающий таковую для звука. Подходы исследователей к определению конкретного ее показателя разнятся. Распространена методология, по которой самолет следует считать гиперзвуковым, если он кратно превышает скоростные показатели самых быстрых современных сверхзвуковых аппаратов. Которые составляют порядка 3-4 тыс. км/ч. То есть гиперзвуковой самолет, если придерживаться данной методологии, должен развивать скорость от 6 тыс. км/ч.
Беспилотные и управляемые аппараты
Подходы исследователей могут разниться также в аспекте определения критериев отнесения того или иного аппарата к самолетам. Есть версия, что к таковым правомерно относить только те машины, которые управляются человеком. Есть точка зрения, по которой самолетом также можно считать и беспилотный аппарат. Поэтому некоторые аналитики классифицируют машины рассматриваемого типа на те, что подлежат управлению человеком, и те, которые функционируют автономно. Подобное деление может быть оправдано, поскольку беспилотные аппараты могут обладать намного более внушительными техническими характеристиками, например, в части перегрузок и скорости.
Вместе с тем многие исследователи рассматривают гиперзвуковые самолеты как единую концепцию, для которой ключевой показатель — скорость. Неважно, сидит ли за штурвалом аппарата человек либо машина управляется роботом — главное, чтобы самолет был в достаточной мере быстрым.
Взлет — самостоятельный или с посторонней помощью?
Распространена классификация гиперзвуковых летательных аппаратов, в основе которой — отнесение их к категории тех, что способны взлетать самостоятельно, либо тех, которые предполагают размещение на более мощном носителе — ракете либо грузовом самолете. Есть точка зрения, по которой к аппаратам рассматриваемого типа правомерно относить главным образом те, что способны взлетать самостоятельно либо при минимальном задействовании иных типов техники. Однако те исследователи, которые считают, что основной критерий, характеризующий гиперзвуковой самолет, — скорость, должен быть первостепенным при любой классификации. Будь то отнесение аппарата к беспилотным, управляемым, способным взлетать самостоятельно либо с помощью других машин — если соответствующий показатель достигает указанных выше значений, то значит, речь идет о гиперзвуковом самолете.
Основные проблемы гиперзвуковых решений
Концепциям гиперзвуковых решений — много десятилетий. На протяжении всех лет разработки соответствующего типа аппаратов мировые инженеры решают ряд существенных проблем, объективно мешающих поставить выпуск «гиперзвука» на поток — подобно организации производства турбовинтовых самолетов.
Основная сложность в конструировании гиперзвуковых самолетов — создание двигателя, способного быть в достаточной мере энергоэффективным. Другая проблема — выстраивание необходимой аппарата. Дело в том, что скорость гиперзвукового самолета в тех значениях, что мы рассмотрели выше, предполагает сильный нагрев корпуса за счет трения об атмосферу.
Сегодня мы рассмотрим несколько образцов удачных прототипов летательных аппаратов соответствующего типа, разработчики которых смогли значительно продвинуться вперед в части успешного решения отмеченных проблем. Изучим теперь наиболее известные мировые разработки в части создания гиперзвуковых летательных аппаратов рассматриваемого типа.
от Boeing
Самый быстрый гиперзвуковой самолет в мире, как считают некоторые эксперты, это американский Boeing X-43A. Так, в ходе тестирования данного аппарата было зафиксировано, что он достигал скорости, превышающей 11 тыс. км/час. То есть примерно в 9,6 раза быстрее
Чем особенно примечателен гиперзвуковой самолет X-43A? Характеристики данного летательного аппарата таковы:
Предельная скорость, зафиксированная на тестах, - 11 230 км/час;
Размах крыльев - 1,5 м;
Длина корпуса - 3,6 м;
Двигатель - прямоточный, Supersonic Combustion Ramjet;
Топливо - атмосферный кислород, водород.
Можно отметить, что рассматриваемый аппарат относится к самым экологичным. Дело в том, что используемое топливо практически не предполагает выделения вредных продуктов горения.
Гиперзвуковой самолет X-43A был разработан совместными усилиями инженеров NASA, а также компаний Orbical Science Corporation и Minocraft. создавался порядка 10 лет. В его разработку было вложено около 250 млн. долларов. Концептуальная новизна рассматриваемого самолета в том, что он был задуман с целью испытания новейшей технологии обеспечения работы двигательной тяги.
Разработка от Orbital Science
Компания Orbital Science, которая, как мы отметили выше, приняла участие в создании аппарата X-43A, успела также создать свой гиперзвуковой самолет — X-34.
Его предельная скорость — более 12 тыс. км/ч. Правда, в ходе практических тестов она не была достигнута — более того, не удалось достичь показателя, который показан самолетом X43-A. Рассматриваемый летательный аппарат ускоряется при задействовании ракеты «Пегас», функционирующей на твердом топливе. Машина X-34 была впервые испытана в 2001 году. Рассматриваемый самолет ощутимо больше аппарата от Boeing — его длина составляет 17,78 м, размах крыльев — 8,85 м. Максимальная высота полета гиперзвуковой машины от Orbical Science — 75 километров.
Летательный аппарат от North American
Еще один известный гиперзвуковой самолет — X-15, выпущенный компанией North American. Данный аппарат аналитики относят к экспериментальным.
Он оснащен что дает повод некоторым экспертам не относить его, собственно, к классу самолетов. Однако наличие ракетных двигателей позволяет аппарату, в частности, совершать Так, во время одного из испытаний в таком режиме он был протестирован пилотами. Предназначение аппарата X-15 — исследование специфики гиперзвуковых полетов, оценка тех или иных конструкторских решений, новых материалов, особенностей управления подобными машинами в различных слоях атмосферы. Примечательно, что была утверждена еще в 1954 году. Летает X-15 со скоростью более 7 тыс. км/час. Дальность его полета — более 500 км, высота превышает 100 км.
Самые быстрые серийные самолеты
Изученные нами выше гиперзвуковые аппараты фактически относятся к категории исследовательских. Полезно будет рассмотреть некоторые серийные образцы самолетов, приближенных по характеристикам к гиперзвуковым или являющихся (по той или иной методологии) ими.
В числе подобных машин — американская разработка SR-71. Данный самолет некоторые исследователи не склонны относить к гиперзвуковым, поскольку его предельна скорость составляет порядка 3,7 тыс. км/час. В числе наиболее примечательных его характеристик — взлетная масса, которая превышает 77 тонн. Длина аппарата — более 23 м, размах крыльев — более 13 м.
Одним из самых быстрых военных самолетов считается российский МиГ-25. Аппарат может развивать скорость более 3,3 тыс. км/ч. Максимальный взлетный вес российского самолета — 41 тонна.
Таким образом, на рынке серийных решений, приближенных по характеристикам к гиперзвуковым, РФ — в числе лидеров. Но что можно сказать о российских разработках в части «классических» гиперзвуковых самолетов? Способны ли инженеры из РФ создать решение, конкурентное машинам от Boeing и Orbital Scence?
Российские гиперзвуковые аппараты
В данный момент российский гиперзвуковой самолет находится в стадии разработки. Но идет она достаточно активно. Речь идет о самолете Ю-71. Его первые испытания, судя по сообщениям в СМИ, были проведены в феврале 2015 года под Оренбургом.
Предполагается, что самолет будет использоваться в военных целях. Так, гиперзвуковой аппарат сможет при необходимости осуществлять доставку поражающих средств на значительные расстояния, вести мониторинг территории, а также задействоваться как элемент штурмовой авиации. Некоторые исследователи полагают, что в 2020-2025 гг. в РВСН поступит порядка 20 самолетов соответствующего типа.
В СМИ есть сведения о том, что рассматриваемый гиперзвуковой самолет России будет размещаться на баллистической ракете «Сармат», которая также находится на стадии проектирования. Некоторые аналитики считают, что разрабатываемый гиперзвуковой аппарат Ю-71 — это не что иное, как боеголовка, которая должна будет отделяться от баллистической ракеты на конечном участке полета, чтобы затем, благодаря высокой, характерной для самолета маневренности, преодолевать системы ПРО.
Проект «Аякс»
В числе наиболее примечательных проектов, связанных с разработкой гиперзвуковых самолетов, — «Аякс». Изучим его подробнее. Гиперзвуковой самолет «Аякс» — концептуальная разработка советских инженеров. В научной среде разговоры о ней начались еще в 80-е годы. В числе наиболее примечательных характеристик — наличие системы тепловой защиты, которая призвана защищать корпус от перегрева. Таким образом, разработчики аппарата «Аякс» предложили решение одной из «гиперзвуковых» проблем, обозначенных нами выше.
Традиционная схема тепловой защиты летательных машин предполагает размещение на корпусе особых материалов. Разработчики «Аякса» предложили иную концепцию, по которой предполагалось не защищать аппарат от внешнего нагрева, а впускать тепло внутрь машины, одновременно увеличивая ее энергоресурс. Основным конкурентом советского аппарат считался гиперзвуковой самолет «Аврора», создаваемый в США. Однако в связи с тем, что конструкторы из СССР существенно расширили возможности концепции, на новую разработку был возложен самый широкий круг задач, в частности, исследовательских. Можно сказать, что «Аякс» — гиперзвуковой многоцелевой самолет.
Рассмотрим более подробно технологические новшества, предложенные инженерами из СССР.
Итак, советские разработчики «Аякса» предложили использовать тепло, возникающее как результат трения корпуса самолета об атмосферу, преобразовывать в полезную энергию. Технически это могло быть реализовано посредством размещения на аппарате дополнительных оболочек. В результате формировалось что-то вроде второго корпуса. Его полость предполагалось заполнить неким катализатором, например, смесью горючего материала и воды. Теплоизолирующий слой, изготовленный из твердого материала, в «Аяксе» предполагалось заменить на жидкостный, который, с одной стороны, должен был защищать двигатель, с другой — способствовал бы каталитической реакции, которая, между тем, могла сопровождаться эндотермическим эффектом — перемещением тепла с наружной части корпуса внутрь. Теоретически охлаждение внешних частей аппараты могло быть каким угодно. Избыточное тепло, в свою очередь, предполагалось задействовать с целью повышения эффективности работы двигателя самолета. При этом данная технология позволяла бы генерировать вследствие реакции топлива и виды свободный водород.
В данный момент доступные широкой публике сведения о продолжении разработки «Аякса» отсутствуют, однако исследователи считают весьма перспективным внедрение советских концепций в практику.
Китайские гиперзвуковые аппараты
Конкурентом России и США на рынке гиперзвуковых решений становится Китай. В числе самых известных разработок инженеров из КНР — летательный аппарат WU-14. Он представляет собой гиперзвуковой управляемый планер, размещаемый на баллистической ракете.
МБР запускает летательный аппарат в космос, откуда машина резко пикирует вниз, развивая гиперзвуковую скорость. Китайский аппарат может монтироваться на разных МБР, обладающих дальностью от 2 до 12 тыс. км. Установлено, что в ходе тестов аппарат WU-14 смог развить скорость, превышающую 12 тыс. км/ч, превратившись, таким образом, в самый быстрый гиперзвуковой самолет по версии некоторых аналитиков.
Вместе с тем многие исследователи считают, что китайскую разработку не вполне правомерно относить к классу самолетов. Так, распространена версия, по которой аппарат следует классифицировать именно как боеголовку. Причем весьма эффективную. При полете вниз с отмеченной скоростью даже самые современные системы ПРО не смогут гарантировать перехвата соответствующей цели.
Можно отметить, что разработками гиперзвуковых аппаратов, задействуемых в военных целях, занимаются также Россия и США. При этом российская концепция, по которой предполагается создавать машины соответствующего типа, значительно отличается, как свидетельствуют данные в некоторых СМИ, от технологических принципов, реализуемых американцами и китайцами. Так, разработчики из РФ концентрируют усилия в области создания летательных аппаратов, оснащенных прямоточным двигателем, способных запускаться с земли. Россия планирует сотрудничество в этом направлении с Индией. Гиперзвуковые аппараты, создаваемые по российской концепции, как считают некоторые аналитики, характеризуются меньшей стоимостью и более широкой областью применения.
Вместе с тем гиперзвуковой самолет России, о котором мы сказали выше (Ю-71), предполагает, как считают некоторые аналитики, как раз-таки размещения на МБР. Если этот тезис окажется верным, то можно будет говорить о том, что инженеры из РФ работают сразу по двум популярным концептуальным направлениям в строительстве гиперзвуковых летательных аппаратов.
Резюме
Итак, вероятно, самый быстрый гиперзвуковой самолет в мире, если говорить о летательных аппаратах безотносительно их классификации, это все же китайский аппарат WU-14. Хотя нужно понимать, что реальные сведения о нем, в том числе касающиеся испытаний, могут быть засекречены. Это вполне соответствует принципам китайских разработчиков, которые часто во что бы то ни стало стремятся сохранить свои военные технологии в тайне. Скорость самого быстрого гиперзвукового самолета — более 12 тыс. км/ч. Его «догоняет» американская разработка X-43A — многие эксперты считают самым скоростным именно его. Теоретически гиперзвуковой самолет X-43A, а также китайский WU-14 может догнать разработка от Orbical Science, рассчитанная на скорость более 12 тыс. км/ч.
Характеристики российского самолета Ю-71 пока что не известны широкой публике. Вполне возможно, что они будут приближены к параметрам китайского летательного аппарата. Российские инженеры также ведут разработки по гиперзвуковому самолету, способному взлетать не на базе МБР, а самостоятельно.
Текущие проекты исследователей из России, Китая и США так или иначе связаны с военной сферой. Гиперзвуковые самолеты, безотносительно их возможной классификации, рассматриваются в первую очередь как носители вооружений, скорее всего, ядерных. Однако в работах исследователей из различных стран мира встречаются тезисы о том, что «гиперзвук», подобно атомным технологиям, вполне может быть мирным.
Дело за появлением доступных и надежных решений, позволяющих организовать серийное производство машин соответствующего типа. Использование подобных аппаратов возможно в самом широком спектре отраслей хозяйственного развития. Наибольшую востребованность гиперзвуковые летательные аппараты, вероятно, найдут в космической и исследовательской индустрии.
По мере удешевления технологий производства соответствующих машин заинтересованность в инвестировании в подобные проекты могут начать проявлять транспортные бизнесы. Промышленные корпорации, поставщики различных сервисов могут начать рассматривать «гиперзвук» как инструмент повышения конкурентоспособности бизнеса в части организации международных коммуникаций.
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.) .
Создание 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.
