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!!!
Материал из Википедии - свободной энциклопедии
Ги́перзвуковая ско́рость (ГС) в аэродинамике - скорости, которые значительно превосходят скорость звука в атмосфере .
Начиная с 1970-х годов, понятие обычно относят к сверхзвуковым скоростям выше 5 чисел Маха (М).
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
Напишите отзыв о статье "Гиперзвуковая скорость"
Примечания
Ссылки
- Anderson John. Hypersonic and High-Temperature Gas Dynamics Second Edition. - AIAA Education Series, 2006. - ISBN 1563477807 .
- (англ.) .
- (англ.) .
- (англ.) .
Отрывок, характеризующий Гиперзвуковая скорость
– Нет, вели закладывать.«Неужели же он уедет и оставит меня одного, не договорив всего и не обещав мне помощи?», думал Пьер, вставая и опустив голову, изредка взглядывая на масона, и начиная ходить по комнате. «Да, я не думал этого, но я вел презренную, развратную жизнь, но я не любил ее, и не хотел этого, думал Пьер, – а этот человек знает истину, и ежели бы он захотел, он мог бы открыть мне её». Пьер хотел и не смел сказать этого масону. Проезжающий, привычными, старческими руками уложив свои вещи, застегивал свой тулупчик. Окончив эти дела, он обратился к Безухому и равнодушно, учтивым тоном, сказал ему:
– Вы куда теперь изволите ехать, государь мой?
– Я?… Я в Петербург, – отвечал Пьер детским, нерешительным голосом. – Я благодарю вас. Я во всем согласен с вами. Но вы не думайте, чтобы я был так дурен. Я всей душой желал быть тем, чем вы хотели бы, чтобы я был; но я ни в ком никогда не находил помощи… Впрочем, я сам прежде всего виноват во всем. Помогите мне, научите меня и, может быть, я буду… – Пьер не мог говорить дальше; он засопел носом и отвернулся.
Масон долго молчал, видимо что то обдумывая.
– Помощь дается токмо от Бога, – сказал он, – но ту меру помощи, которую во власти подать наш орден, он подаст вам, государь мой. Вы едете в Петербург, передайте это графу Вилларскому (он достал бумажник и на сложенном вчетверо большом листе бумаги написал несколько слов). Один совет позвольте подать вам. Приехав в столицу, посвятите первое время уединению, обсуждению самого себя, и не вступайте на прежние пути жизни. Затем желаю вам счастливого пути, государь мой, – сказал он, заметив, что слуга его вошел в комнату, – и успеха…
Проезжающий был Осип Алексеевич Баздеев, как узнал Пьер по книге смотрителя. Баздеев был одним из известнейших масонов и мартинистов еще Новиковского времени. Долго после его отъезда Пьер, не ложась спать и не спрашивая лошадей, ходил по станционной комнате, обдумывая свое порочное прошедшее и с восторгом обновления представляя себе свое блаженное, безупречное и добродетельное будущее, которое казалось ему так легко. Он был, как ему казалось, порочным только потому, что он как то случайно запамятовал, как хорошо быть добродетельным. В душе его не оставалось ни следа прежних сомнений. Он твердо верил в возможность братства людей, соединенных с целью поддерживать друг друга на пути добродетели, и таким представлялось ему масонство.
Приехав в Петербург, Пьер никого не известил о своем приезде, никуда не выезжал, и стал целые дни проводить за чтением Фомы Кемпийского, книги, которая неизвестно кем была доставлена ему. Одно и всё одно понимал Пьер, читая эту книгу; он понимал неизведанное еще им наслаждение верить в возможность достижения совершенства и в возможность братской и деятельной любви между людьми, открытую ему Осипом Алексеевичем. Через неделю после его приезда молодой польский граф Вилларский, которого Пьер поверхностно знал по петербургскому свету, вошел вечером в его комнату с тем официальным и торжественным видом, с которым входил к нему секундант Долохова и, затворив за собой дверь и убедившись, что в комнате никого кроме Пьера не было, обратился к нему:
– Я приехал к вам с поручением и предложением, граф, – сказал он ему, не садясь. – Особа, очень высоко поставленная в нашем братстве, ходатайствовала о том, чтобы вы были приняты в братство ранее срока, и предложила мне быть вашим поручителем. Я за священный долг почитаю исполнение воли этого лица. Желаете ли вы вступить за моим поручительством в братство свободных каменьщиков?
Холодный и строгий тон человека, которого Пьер видел почти всегда на балах с любезною улыбкою, в обществе самых блестящих женщин, поразил Пьера.
– Да, я желаю, – сказал Пьер.
Вилларский наклонил голову. – Еще один вопрос, граф, сказал он, на который я вас не как будущего масона, но как честного человека (galant homme) прошу со всею искренностью отвечать мне: отреклись ли вы от своих прежних убеждений, верите ли вы в Бога?
Пьер задумался. – Да… да, я верю в Бога, – сказал он.
– В таком случае… – начал Вилларский, но Пьер перебил его. – Да, я верю в Бога, – сказал он еще раз.
– В таком случае мы можем ехать, – сказал Вилларский. – Карета моя к вашим услугам.
Всю дорогу Вилларский молчал. На вопросы Пьера, что ему нужно делать и как отвечать, Вилларский сказал только, что братья, более его достойные, испытают его, и что Пьеру больше ничего не нужно, как говорить правду.
Въехав в ворота большого дома, где было помещение ложи, и пройдя по темной лестнице, они вошли в освещенную, небольшую прихожую, где без помощи прислуги, сняли шубы. Из передней они прошли в другую комнату. Какой то человек в странном одеянии показался у двери. Вилларский, выйдя к нему навстречу, что то тихо сказал ему по французски и подошел к небольшому шкафу, в котором Пьер заметил невиданные им одеяния. Взяв из шкафа платок, Вилларский наложил его на глаза Пьеру и завязал узлом сзади, больно захватив в узел его волоса. Потом он пригнул его к себе, поцеловал и, взяв за руку, повел куда то. Пьеру было больно от притянутых узлом волос, он морщился от боли и улыбался от стыда чего то. Огромная фигура его с опущенными руками, с сморщенной и улыбающейся физиономией, неверными робкими шагами подвигалась за Вилларским.
Проведя его шагов десять, Вилларский остановился.
– Что бы ни случилось с вами, – сказал он, – вы должны с мужеством переносить всё, ежели вы твердо решились вступить в наше братство. (Пьер утвердительно отвечал наклонением головы.) Когда вы услышите стук в двери, вы развяжете себе глаза, – прибавил Вилларский; – желаю вам мужества и успеха. И, пожав руку Пьеру, Вилларский вышел.
Оставшись один, Пьер продолжал всё так же улыбаться. Раза два он пожимал плечами, подносил руку к платку, как бы желая снять его, и опять опускал ее. Пять минут, которые он пробыл с связанными глазами, показались ему часом. Руки его отекли, ноги подкашивались; ему казалось, что он устал. Он испытывал самые сложные и разнообразные чувства. Ему было и страшно того, что с ним случится, и еще более страшно того, как бы ему не выказать страха. Ему было любопытно узнать, что будет с ним, что откроется ему; но более всего ему было радостно, что наступила минута, когда он наконец вступит на тот путь обновления и деятельно добродетельной жизни, о котором он мечтал со времени своей встречи с Осипом Алексеевичем. В дверь послышались сильные удары. Пьер снял повязку и оглянулся вокруг себя. В комнате было черно – темно: только в одном месте горела лампада, в чем то белом. Пьер подошел ближе и увидал, что лампада стояла на черном столе, на котором лежала одна раскрытая книга. Книга была Евангелие; то белое, в чем горела лампада, был человечий череп с своими дырами и зубами. Прочтя первые слова Евангелия: «Вначале бе слово и слово бе к Богу», Пьер обошел стол и увидал большой, наполненный чем то и открытый ящик. Это был гроб с костями. Его нисколько не удивило то, что он увидал. Надеясь вступить в совершенно новую жизнь, совершенно отличную от прежней, он ожидал всего необыкновенного, еще более необыкновенного чем то, что он видел. Череп, гроб, Евангелие – ему казалось, что он ожидал всего этого, ожидал еще большего. Стараясь вызвать в себе чувство умиленья, он смотрел вокруг себя. – «Бог, смерть, любовь, братство людей», – говорил он себе, связывая с этими словами смутные, но радостные представления чего то. Дверь отворилась, и кто то вошел.
При слабом свете, к которому однако уже успел Пьер приглядеться, вошел невысокий человек. Видимо с света войдя в темноту, человек этот остановился; потом осторожными шагами он подвинулся к столу и положил на него небольшие, закрытые кожаными перчатками, руки.
Невысокий человек этот был одет в белый, кожаный фартук, прикрывавший его грудь и часть ног, на шее было надето что то вроде ожерелья, и из за ожерелья выступал высокий, белый жабо, окаймлявший его продолговатое лицо, освещенное снизу.
– Для чего вы пришли сюда? – спросил вошедший, по шороху, сделанному Пьером, обращаясь в его сторону. – Для чего вы, неверующий в истины света и не видящий света, для чего вы пришли сюда, чего хотите вы от нас? Премудрости, добродетели, просвещения?
В ту минуту как дверь отворилась и вошел неизвестный человек, Пьер испытал чувство страха и благоговения, подобное тому, которое он в детстве испытывал на исповеди: он почувствовал себя с глазу на глаз с совершенно чужим по условиям жизни и с близким, по братству людей, человеком. Пьер с захватывающим дыханье биением сердца подвинулся к ритору (так назывался в масонстве брат, приготовляющий ищущего к вступлению в братство). Пьер, подойдя ближе, узнал в риторе знакомого человека, Смольянинова, но ему оскорбительно было думать, что вошедший был знакомый человек: вошедший был только брат и добродетельный наставник. Пьер долго не мог выговорить слова, так что ритор должен был повторить свой вопрос.
– Да, я… я… хочу обновления, – с трудом выговорил Пьер.
– Хорошо, – сказал Смольянинов, и тотчас же продолжал: – Имеете ли вы понятие о средствах, которыми наш святой орден поможет вам в достижении вашей цели?… – сказал ритор спокойно и быстро.
– Я… надеюсь… руководства… помощи… в обновлении, – сказал Пьер с дрожанием голоса и с затруднением в речи, происходящим и от волнения, и от непривычки говорить по русски об отвлеченных предметах.
– Какое понятие вы имеете о франк масонстве?
– Я подразумеваю, что франк масонство есть fraterienité [братство]; и равенство людей с добродетельными целями, – сказал Пьер, стыдясь по мере того, как он говорил, несоответственности своих слов с торжественностью минуты. Я подразумеваю…
– Хорошо, – сказал ритор поспешно, видимо вполне удовлетворенный этим ответом. – Искали ли вы средств к достижению своей цели в религии?
– Нет, я считал ее несправедливою, и не следовал ей, – сказал Пьер так тихо, что ритор не расслышал его и спросил, что он говорит. – Я был атеистом, – отвечал Пьер.
– Вы ищете истины для того, чтобы следовать в жизни ее законам; следовательно, вы ищете премудрости и добродетели, не так ли? – сказал ритор после минутного молчания.
– Да, да, – подтвердил Пьер.
Ритор прокашлялся, сложил на груди руки в перчатках и начал говорить:
– Теперь я должен открыть вам главную цель нашего ордена, – сказал он, – и ежели цель эта совпадает с вашею, то вы с пользою вступите в наше братство. Первая главнейшая цель и купно основание нашего ордена, на котором он утвержден, и которого никакая сила человеческая не может низвергнуть, есть сохранение и предание потомству некоего важного таинства… от самых древнейших веков и даже от первого человека до нас дошедшего, от которого таинства, может быть, зависит судьба рода человеческого. Но так как сие таинство такого свойства, что никто не может его знать и им пользоваться, если долговременным и прилежным очищением самого себя не приуготовлен, то не всяк может надеяться скоро обрести его. Поэтому мы имеем вторую цель, которая состоит в том, чтобы приуготовлять наших членов, сколько возможно, исправлять их сердце, очищать и просвещать их разум теми средствами, которые нам преданием открыты от мужей, потрудившихся в искании сего таинства, и тем учинять их способными к восприятию оного. Очищая и исправляя наших членов, мы стараемся в третьих исправлять и весь человеческий род, предлагая ему в членах наших пример благочестия и добродетели, и тем стараемся всеми силами противоборствовать злу, царствующему в мире. Подумайте об этом, и я опять приду к вам, – сказал он и вышел из комнаты.
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.) .
Перспективный российский бомбардировщик – ответ на концепцию быстрого глобального удара?
Соревнование за освоение авиацией гиперзвуковых скоростей началось ещё во времена Холодной войны. В те годы конструкторы и инженеры СССР, США и других развитых стран проектировали новые самолёты, способные летать в 2-3 раза быстрее скорости звука. Гонка за скоростью породила множество открытий в области аэродинамики полётов в атмосфере и быстро достигла пределов физических возможностей пилотов и стоимости изготовления летательного аппарата.
В итоге первыми гиперзвук освоили ракетные конструкторские бюро в своих детищах - межконтинентальных баллистических ракетах (МБР) и ракетах-носителях. При выводе на околоземные орбиты спутников ракеты развивали скорость 18000 – 25000 км/час. Это намного превышало предельные параметры самых быстрых сверхзвуковых самолетов, как гражданских (Конкорд = 2150 км/ч, Ту-144 = 2300 км/ч), так и военных (SR-71 = 3540 км/час, МиГ-31 = 3000 км/час).
Отдельно хочется отметить, что при проектировании сверхзвукового перехватчика МиГ-31 авиаконструктор Г.Е. Лозино-Лозинский использовал в конструкции планера передовые материалы (титан, молибден и др.), что позволило самолету достигнуть рекордной высоты пилотируемого полёта (МиГ-31Д) и максимальной скорости в 7000 км/час в верхних слоях атмосферы. В 1977 году летчик-испытатель Александр Федотов установил на его предшественнике МиГ-25 абсолютный мировой рекорд высоты полета – 37650 метров (для сравнения, у SR-71 максимальная высота полета составила 25929 метров). К сожалению, двигатели для полетов на больших высотах в условиях сильно разреженной атмосферы тогда ещё не были созданы, так как эти технологии только разрабатывались в недрах советских НИИ и КБ в рамках многочисленных экспериментальных работ.
Новым этапом в развитии технологий гиперзвука стали исследовательские проекты по созданию авиационно-космических систем, которые совмещали в себе возможности авиации (пилотаж и манёвр, посадка на ВПП) и космических аппаратов (выход на орбиту, орбитальный полет, спуск с орбиты). В СССР и США эти программы отработали частично, явив миру космические орбитальные самолёты «Буран» и «Спейс Шаттл».
Почему частично? Дело в том, что вывод летательного аппарата на орбиту осуществлялся с помощью ракеты-носителя. Стоимость вывода была огромной, порядка 450 миллионов долларов (по программе «Спейс Шаттл»), что в разы превышало стоимость самых дорогих гражданских и военных самолётов, не позволяло сделать орбитальный самолёт массовым изделием. Необходимость вложения гигантских средств в создание инфраструктуры, обеспечивающей сверхбыстрые межконтинентальные перелёты (космодромы, центры управления полётом, топливно-заправочные комплексы) окончательно похоронила перспективу пассажирских перевозок.
Единственным заказчиком, хоть как-то заинтересованным в гиперзвуковых аппаратах, остались военные. Правда, этот интерес носил эпизодический характер. Военные программы СССР и США по созданию авиационно-космических самолётов шли разными путями. Наиболее последовательно они были реализованы всё-таки в СССР: от проекта по созданию ПКА (планирующего космического аппарата) до МАКС (многоцелевая авиационная космическая система) и «Бурана» была выстроена последовательная и непрерывная цепочка научно-технических заделов, на основании которых создавался фундамент будущих экспериментальных полётов прототипов гиперзвуковых самолётов.
Ракетные КБ продолжали совершенствовать свои МБР. С появлением современных комплексов ПВО и ПРО, способных сбивать боевые части МБР на большом удалении, к поражающим элементам баллистических ракет стали предъявлять новые требования. Боеголовки новых МБР должны были преодолевать противовоздушную и противоракетную оборону противника. Так появились боевые части, способные преодолевать ВКО на гиперзвуковых скоростях (М=5-6).
Отработка гиперзвуковых технологий для боевых частей (боеголовок) МБР позволила начать несколько проектов по созданию оборонного и наступательного гиперзвукового оружия - кинетического (рельсотрон), динамического (крылатые ракеты) и космического (удар с орбиты).
Активизация геополитического соперничества США с Россией и Китаем реанимировала тему гиперзвука как перспективного инструмента, способного обеспечить преимущество в сфере космических и ракетно-авиационных вооружений. Повышение интереса к этим технологиям обусловлено и концепцией нанесения максимального ущерба противнику обычными (не ядерными) средствами поражения, которая фактически реализуется странами НАТО во главе с США.
Действительно, если в распоряжении военного командования будет хотя бы сотня гиперзвуковых аппаратов в неядерном оснащении, которые легко преодолевают существующие системы ПВО и ПРО, то этот «последний довод королей» напрямую влияет на стратегический баланс между ядерными державами. Мало того, гиперзвуковая ракета в перспективе может уничтожать элементы стратегических ядерных сил как с воздуха, так и из космоса в сроки не более часа от момента принятия решения до момента поражения цели. Именно такая идеология заложена в американской военной программе Prompt Global Strike (быстрый глобальный удар).
Осуществима ли подобная программа на практике? Аргументы «за» и «против» разделились примерно поровну. Давайте разберёмся.
Американская программа Prompt Global Strike
Концепция Prompt Global Strike (PGS) принята в 2000-е годы по инициативе командования ВС США. Её ключевым элементом является возможность нанести неядерный удар по любой точке земного шара в течение 60 минут после принятия решения. Работы в рамках этой концепции ведутся одновременно по нескольким направлениям.
Первым направлением PGS, и наиболее реалистичным с технической точки зрения, стало использование МБР с высокоточными неядерными боевыми блоками, в том числе с кассетными, которые оснащаются набором самонаводящихся суббоеприпасов. В качестве отработки этого направления была выбрана МБР морского базирования Trident II D5, доставляющая поражающие элементы на максимальную дальность 11300 километров. В данное время идут работы по снижению КВО боеголовок до значений в 60-90 метров.
Вторым направлением PGS выбраны стратегические гиперзвуковые крылатые ракеты (СГКР). В рамках принятой концепции реализуется подпрограмма X-51A Waverider (SED-WR). По инициативе ВВС США и поддержке DARPA с 2001 года разработку гиперзвуковой ракеты ведут фирмы Pratt & Whitney и Boeing.
Первым результатом проводящихся работ должно стать появление к 2020 году демонстратора технологий с установленным гиперзвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателем (ГПВРД). По оценкам экспертов СГКР с этим двигателем может иметь следующие параметры: скорость полёта М = 7–8, максимальная дальность полета 1300-1800 км, высота полета 10-30 км.
В мае 2007 года после детального рассмотрения хода работ по X-51A «WaveRider» военные заказчики утвердили проект ракеты. Экспериментальная СГКР Boeing X-51A WaveRider представляет собой классическую крылатую ракету с подфюзеляжным ГПВРД и четырехконсольным хвостовым оперением. Материалы и толщина пассивной теплозащиты выбирались в соответствии с расчетными оценками тепловых потоков. Носовой модуль ракеты выполнен из вольфрама с кремниевым покрытием, который выдерживает кинетический нагрев до 1500°С. На нижней поверхности ракеты, где ожидаются температуры до 830°С, используются керамические плитки, разработанные Boeing ещё для программы «Спейс Шаттл». Ракета X-51A должна отвечать высоким требованиям по малозаметности (ЭПР не более 0,01 м 2). Для разгона изделия до скорости, соответствующей M = 5 планируется установка тандемного ракетного ускорителя на твердом топливе.
В качестве основного носителя СГКР предполагается использовать самолеты стратегической авиации США. Пока нет сведений о том, как будут размещаться эти ракеты – под крылом или внутри фюзеляжа «стратега».
Третьим направлением PGS являются программы по созданию систем кинетического оружия, поражающего цели с орбиты Земли. Американцы подробно рассчитали результаты боевого применение стержня из вольфрама длиной около 6 метров и диаметром 30 см, сброшенного с орбиты и поражающего наземный объект на скорости порядка 3500 м/с. Согласно расчётам, в точке встречи высвободится энергия, эквивалентная взрыву 12 тонн тринитротолуола (тротила).
Теоретическое обоснование дало старт проектам двух гиперзвуковых аппаратов (Falcon HTV-2 и AHW), которые будут запускаться на орбиту ракетами-носителями и в боевом режиме смогут планировать в атмосфере с наращиванием скорости при подлёте к цели. Пока эти разработки находятся на стадии эскизного проектирования и экспериментальных пусков. Основными проблемными вопросами пока остаются системы базирования в космосе (космические группировки и боевые платформы), системы высокоточного наведения на цель и обеспечение скрытности выведения на орбиту (любой запуск и орбитальные объекты вскрываются российскими системами предупреждения о ракетном нападении и контроля космического пространства). Проблему скрытности американцы надеются решить после 2019 года, с запуском в эксплуатацию многоразовой авиационной космической системы, которая будет выводить полезную нагрузку на орбиту «по самолётному», посредством двух ступеней – самолёта-носителя (на основе Боинг 747) и беспилотного космического самолёта (на основе прототипа аппарата Х-37В).
Четвертым направлением PGS является программа по созданию беспилотного гиперзвукового самолёта - разведчика на базе известного Lockheed Martin SR-71 Blackbird.
Подразделение Lockheed - компания Skunk Works, в настоящее время разрабатывает перспективный БПЛА под рабочим название SR-72, который должен в два раза превысить максимальную скорость SR-71, достигнув значений около М = 6.
Разработка гиперзвукового разведчика вполне оправдана. Во-первых, SR-72 из-за своей колоссальной скорости будет малоуязвим для систем ПВО. Во-вторых, он заполнит «пробелы» в работе спутников, оперативно добывая стратегическую информацию и обнаруживая мобильные комплексы МБР, соединения кораблей, группировки сил противника на ТВД.
Рассматриваются два варианта самолета SR-72 - пилотируемый и беспилотный, также не исключается использование его в качестве ударного бомбардировщика, носителя высокоточного оружия. Скорее всего, в качестве вооружения могут использоваться облегченные ракеты без маршевого двигателя, поскольку при запуске на скорости в 6 М он не нужен. Высвобождающийся вес, вероятно, будет использован для увеличения могущества БЧ. Лётный прототип самолёта Lockheed Martin планирует показать в 2023 году.
Китайский проект гиперзвукового самолёта DF-ZF
27 апреля 2016 года американское издание «Washington Free Beacon» со ссылкой на источники в Пентагоне сообщило миру о седьмом испытании гиперзвукового китайского летательного аппарата DZ-ZF. Летательный аппарат был запущен с космодрома Тайюань (провинция Шаньси). По данным газеты самолёт совершал манёвры на скорости от 6400 до 11200 км/ч, и упал на полигоне в Западном Китае.
«По оценке разведки Соединенных Штатов, КНР планирует использовать гиперзвуковой самолёт в качестве средства доставки ядерных зарядов, способного преодолевать системы ПРО, - отметило издание. - DZ-ZF также может использоваться в качестве оружия, способного уничтожить цель в любой точке мира в течение часа».
Согласно анализу проведённому разведкой США всей серии испытаний - запуски гиперзвукового самолёта осуществлялись баллистическими ракетами малой дальности DF-15 и DF-16 (дальность до 1000 км), а также средней дальности DF-21 (дальность 1800 км). Не исключалась дальнейшая отработка запусков на МБР DF-31А (дальность 11200 км). По программе испытаний известно следующее: отделяясь от носителя в верхних слоях атмосферы, аппарат конусообразной формы с ускорением планировал вниз и маневрировал на траектории выхода на цель.
Несмотря на многочисленные публикации иностранных СМИ о том, что китайский гиперзвуковой летательный аппарат (ГЛА) предназначен для поражения американских авианосцев, китайские военные эксперты отнеслись к таким заявлениям скептически. Они указали на общеизвестный факт, что сверхзвуковая скорость ГЛА создаёт вокруг аппарата облако плазмы, которое мешает работе бортовой РЛС при корректировке курса и наведении на такую подвижную цель, как авианосец.
Как заявил в интервью China Daily профессор Командного колледжа ракетных войск НОАК полковник Шао Юнлин: «Сверхвысокая скорость и дальность делает его (ГЛА) превосходным средством уничтожения наземных целей. Он, в перспективе, может заменить межконтинентальные баллистические ракеты».
Согласно докладу профильной комиссии Конгресса США, DZ-ZF может быть принят на вооружение НОАК в 2020 году, а его усовершенствованная дальнобойная версия - к 2025 году.
Научно-технический задел России – гиперзвуковые самолёты
Гиперзвуковой Ту-2000
В СССР работы над гиперзвуковым самолётом начались в ОКБ Туполева в середине 1970-х годов, на основе серийного пассажирского самолёта Ту-144. Проводилось исследование и проектирование самолёта, способного развивать скорость до М=6 (ТУ-260) и дальностью полёта до 12000 км, а также гиперзвукового межконтинентального самолёта ТУ-360. Его дальность полёта должны была достигать 16000 км. Был даже подготовлен проект пассажирского гиперзвукового самолёта Ту-244, рассчитанного на полёт на высоте 28-32 км со скоростью М=4,5-5.
В феврале 1986 года в США начался НИОКР по создание космоплана Х-30 с воздушно-реактивной силовой установкой, способного выходить на орбиту в одноступенчатом варианте. Проект National Aerospace Plane (NASP), отличался обилием новых технологий, ключевой из которых был двухрежимный гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель, позволяющий летать на скоростях М=25. По полученным разведкой СССР сведениям, NASP прорабатывался для гражданских и военных целей.
Ответом на разработку трансатмосферного X-30 (NASP) стали постановления правительства СССР от 27 января и 19 июля 1986 о создании эквивалента американскому воздушно-космическому самолёту (ВКС). 1 сентября 1986 года Министерство обороны выпустило техническое задание на одноступенчатый многоразовый воздушно-космический самолет (МВКС). По этому техзаданию МВКС должен был обеспечить эффективную и экономичную доставку на околоземную орбиту грузов, высокоскоростную трансатмосферную межконтинентальную транспортировку, решение военные задач, как в атмосфере, так и в ближнем космическом пространстве. Из представленных на конкурс работ ОКБ Туполева, ОКБ Яковлева и НПО «Энергия» одобрение получил проект Ту-2000.
В результате предварительных исследований по программе МВКС выбиралась силовая установка на основе отработанных и проверенных решений. Существующие воздушно-реактивные двигатели (ВРД), использовавшие атмосферный воздух, имели ограничения по температуре, они использовались на самолётах, скорость которых не превышала М=3, а ракетные двигатели должны были нести большой запас топлива на борту и не годились для продолжительных полётов в атмосфере. Поэтому было принято важное решение – чтобы самолёт мог летать на сверхзвуковых скоростях и на всех высотах, его двигатели должны иметь черты и авиационной, и космической техники.
Оказалось, что наиболее рациональным для гиперзвукового самолёта является прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД), в котором нет вращающихся частей, в комбинации с турбореактивным двигателем (ТРД) для разгона. Предполагалось, что для полётов с гиперзвуковыми скоростями наиболее подходит ПВРД на жидком водороде. А разгонный двигатель - это ТРД работающий или на керосине, или на жидком водороде.
В результате, за рабочий вариант была принята комбинация экономичного ТРД, работающего в диапазоне скоростей М=0-2,5, второго двигателя - ПВРД, разгоняющего летательный аппарат до М=20 и ЖРД для выхода на орбиту (разгон до первой космической скорости 7,9 км/с) и обеспечения орбитальных манёвров.
Из-за сложности решения комплекса научно-технических и технологических задач по созданию одноступенчатого МВКС программа была разбита на два этапа: создание экспериментального гиперзвукового самолета со скоростью полета до М=5-6, и разработка прототипа орбитального ВКС, обеспечивающего проведение лётного эксперимента во всём диапазоне полетов, вплоть до выхода в космос. Помимо этого на втором этапе работ МВКС намечалось создать варианты космического бомбардировщика Ту-2000Б, который проектировался как двухместный самолёт с дальностью полёта 10000 км и взлетным весом 350 тонн. Шесть двигателей с питанием на жидком водороде должны были обеспечить скорость М=6-8 на высоте в 30-35 км.
По данным специалистов ОКБ им. А.Н.Туполева, стоимость постройки одного ВКС должна была составить около 480 млн. долларов, в ценах 1995 года (при затратах на ОКР 5,29 млрд. долларов). Предполагаемая стоимость запуска должна была составить 13,6 млн. долларов, при количестве 20 пусков в год.
Первый раз макет самолета Ту-2000 был показан на выставке «Мосаэрошоу-92». До остановки работ в 1992 году, для Ту-2000 были изготовлены: кессон крыла из никелевого сплав, элементы фюзеляжа, криогенные топливные баки и композитные топливопроводы.
Атомный М-19
Давний «конкурент» по стратегическим летательным аппаратам ОКБ им. Туполева – Экспериментальный машиностроительный завод (сейчас ЭМЗ им. Мясищева) также занимался разработками одноступенчатого ВКС в рамках НИОКР «Холод-2». Проект получил название «М-19» и предусматривал проработку по следующим темам:
- Тема 19-1. Создание летающей лаборатории с силовой установкой на жидком водородном топливе, отработка технологии работ с криогенным топливом;
- Тема19-2. Проектно-конструкторские работы по определению облика гиперзвукового самолета;
- Тема 19-3. Проектно-конструкторские работы по определению облика перспективного ВКС;
- Тема 19-4. Проектно-конструкторские работы по определению облика альтернативных вариантов ВКС с ядерной двигательной установкой.
Работы по перспективному ВКС проводились под непосредственным руководством Генерального конструктора В.М. Мясищева и Генерального конструктора А.Д. Тохунца. Для выполнения составных частей НИОКР были утверждены планы совместных работ с предприятиями МАП СССР, в том числе: ЦАГИ, ЦИАМ, НИИАС, ИТПМ и многими другими, а также с НИИ Академии наук и Министерства обороны.
Облик одноступенчатого ВКС М-19 определился после исследования многочисленных альтернативных вариантов аэродинамической компоновки. В части исследований характеристик силовой установки нового типа проводились испытания моделей ГПВРД в аэродинамических трубах на скоростях, соответствующих числам М=3-12. Для оценки эффективности будущего ВКС были также проработаны математические модели систем аппарата и комбинированной силовой установки с ядерным ракетным двигателем (ЯРД).
Использование ВКС с комбинированной ядерной двигательной установкой предполагало расширенные возможности интенсивного освоения как околоземного космического пространства, включая удаленные геостационарные орбиты, так и области дальнего космоса, в том числе Луну и окололунное пространство.
Наличие на борту ВКС ядерной установки позволяло бы также использовать её в качестве мощного энергетического узла для обеспечения функционирования новых типов космического оружия (лучевое, пучковое оружие, средства воздействия на климатические условия и т. п.).
Комбинированная двигательная установка (КДУ) включала в себя:
- Маршевый ядерный ракетный двигатель (ЯРД) на основе ядерного реактора с радиационной защитой;
- 10 двухконтурных турбореактивных двигателей (ДТРДФ) с теплообменниками во внутреннем и наружном контурах и форсажной камерой;
- Гиперзвуковые прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ГПВРД);
- Два турбокомпрессора для обеспечения прокачки водорода через теплообменники ДТРДФ;
- Распределительный узел с турбонасосными агрегатами, теплообменниками и вентилями трубопроводов, системы регулирования подачи топлива.
В качестве топлива для ДТРДФ и ГПВРД использовался водород, он же являлся и рабочим телом в замкнутом контуре ЯРД.
В завершенном виде концепция М-19 выглядела так: взлет и первоначальный разгон 500-тонный ВКС совершает как атомный самолёт с двигателями замкнутого цикла, причем в качестве теплоносителя, передающего тепло от реактора к десяти турбореактивным двигателям, служит водород. По мере разгона и набора высоты, водород начинает подаваться в форсажные камеры ТРД, чуть позже в прямоточные ГПРВД. Наконец, на высоте 50 км, при скорости полёта более 16М, включается атомный ЯРД с тягой 320 тс, который обеспечивал выход на рабочую орбиту высотой 185-200 километров. При взлетной массе около 500 тонн ВКС М-19 должен был выводить на опорную орбиту с наклонением 57,3° полезную нагрузку массой порядка 30-40 тонн.
Необходимо отметить малоизвестный факт, что при расчетах характеристик КДУ на турбопрямоточном, ракетно-прямоточном и гиперзвуковом режимах полета использовались результаты экспериментальных исследований и расчетов, проведенных в ЦИАМ, ЦАГИ и ИТПМ СО АН СССР.
Аякс» - гиперзвук по-новому
Работы по созданию гиперзвукового самолёта проводились и в СКБ «Нева» (г. Санкт-Петербург), на основе которого было образовано Государственное научно-исследовательское предприятие гиперзвуковых скоростей (ныне ОАО «НИПГС» ХК «Ленинец»).
В НИПГС к созданию ГЛА подошли принципиально по-новому. Концепция ГЛА «Аякс» была выдвинута в конце 80-х гг. Владимиром Львовичем Фрайштадтом. Суть её состоит в том, что у ГЛА отсутствует тепловая защита (в отличие от большинства ВКС и ГЛА). Тепловой поток, возникающий при гиперзвуковом полёте, впускается внутрь ГЛА для повышения его энергоресурса. Таким образом, ГЛА «Аякс» представлял собой открытую аэротермодинамическую систему, которая часть кинетической энергии гиперзвукового воздушного потока преобразовывала в химическую и электрическую, попутно решая вопрос с охлаждением планера. Для этого были спроектированы основные компоненты реактора химической регенерации тепла с катализатором, размещаемыми под обшивкой планера.
Обшивка самолета в наиболее термонапряженных местах имела двухслойную оболочку. Между слоями оболочки размещался катализатор из термостойкого материала («мочалки из никеля»), который представлял собой подсистему активного охлаждения с реакторами химической регенерации тепла. Согласно расчётам, при всех режимах гиперзвукового полета температура элементов планера ГЛА не превышала 800-850°С.
В состав ГЛА входит интегрированный с планером прямоточный воздушно-реактивный двигатель со сверхзвуковым горением и основной (маршевый) двигатель - магнито-плазмохимический двигатель (МПХД). МПХД предназначался для управления воздушным потоком, с помощью магнито-газодинамического ускорителя (МГД-ускорителя) и выработки электроэнергии с помощью МГД-генератора. Генератор имел мощность до 100 МВт, что вполне хватало для питания лазера, способного поражать на околоземных орбитах различные цели.
Предполагалось, что маршевый МПХД будет способен изменять скорость полёта в широком диапазоне полетного числа Маха. За счет торможения гиперзвукового потока магнитным полем создавались оптимальные условия в сверхзвуковой камере сгорания. При испытаниях в ЦАГИ было выявлено, что созданное в рамках концепции «Аякс» углеводородное топливо сгорает в несколько раз быстрее, чем водород. МГД-ускоритель мог «разгонять» продукты сгорания, увеличивая максимальную скорость полета до М=25, что гарантировало выход на околоземную орбиту.
Гражданский вариант гиперзвукового самолёта рассчитывался на скорость полёта 6000-12000 км/ч, дальность полёта - до 19000 км и перевозку 100 пассажиров. О военных разработках проекта «Аякс» сведений нет.
Российская концепция гиперзвука – ракеты и ПАК ДА
Работы, проведенные в СССР и в первые годы существования новой России по гиперзвуковым технологиям позволяют утверждать, что оригинальная отечественная методология и научно-технический задел сохранены и задействованы для создания российских ГЛА – как в ракетном, так и самолётном исполнении.
В 2004-м году, во время проведения командно-штабных учений «Безопасность 2004», президент России В.В. Путин сделал заявление, до сих пор будоражащее умы «общественности». «Были проведены эксперименты и кое-какие испытания… Вскоре российские Вооруженные силы получат боевые комплексы, способные действовать на межконтинентальных расстояниях, с гиперзвуковой скоростью, с большой точностью, с широким манёвром по высоте и направлению удара. Эти комплексы сделают бесперспективными любые образцы противоракетной обороны – существующие или перспективные» .
Некоторые отечественные СМИ интерпретировали это заявление в меру своего понимания. Например: «В России была разработана первая в мире гиперзвуковая маневрирующая ракета, запуск которой был произведен со стратегического бомбардировщика Ту-160 в феврале 2004 года, когда проводились командно-штабные учения «Безопасность 2004»…
На самом деле на учениях было запущена баллистическая ракета РС-18 «Стилет» с новым боевым оснащением. Вместо обычной боеголовки на РС-18 находилось некое устройство, способное менять высоту и направление полета, и, тем самым, преодолевать любую, в том числе американскую, противоракетную оборону. Судя по всему, испытанный во время учений «Безопасность 2004» аппарат являлся малоизвестной гиперзвуковой крылатой ракетой (ГКР) Х-90, разработанной в МКБ «Радуга» в начале 1990-х годов.
Судя по ТТХ этой ракеты, стратегический бомбардировщик Ту-160 может брать на борт две Х-90. Остальные же характеристики выглядят так: масса ракеты - 15 тонн, маршевый двигатель - ГПВРД, ускоритель - РДТТ, скорость полета – 4-5 М, высота пуска – 7000 м, высота полёта – 7000-20000 м, дальность пуска 3000-3500 км, число боеголовок - 2, мощность боеголовки - 200 кт.
В споре о том, что лучше самолёт или ракета, чаще всего проигрывали самолёты, так как ракеты оказывались быстрее и результативнее. А самолёт стал носителем крылатых ракет, способных поражать цели на расстоянии 2500-5000 км. Запуская ракету по цели, стратегический бомбардировщик не заходил в зону противодействующей ПВО, поэтому делать его гиперзвуковым не имело смысла.
«Гиперзвуковое соревнование» между самолётом и ракетой сейчас близится к новой развязке с предсказуемым результатом - ракеты вновь опережают самолёты.
Оценим ситуацию. На вооружении дальней авиации, входящей в ВКС России, состоят 60 турбовинтовых самолётов Ту-95МС и 16 реактивных бомбардировщиков Ту-160. Срок службы Ту-95МС истекает через 5-10 лет. Министерство обороны приняло решение об увеличение количества Ту-160 до 40 единиц. Ведутся работы по модернизации Ту-160. Таким образом, в ВКС скоро начнут поступать новые Ту-160М. ОКБ Туполева также является основным разработчиком перспективного авиационного комплекса дальней авиации (ПАК ДА).
Наш «вероятный противник» не сидит, сложа руки, он вкладывает деньги в развитие концепции Prompt Global Strike (PGS). Возможности военного бюджета США по объёму финансирования значительно превышают возможности бюджета России. Министерство финансов и Министерство обороны спорят о размере финансирования Госпрограммы вооружений на период до 2025 года. И речь идёт не только о текущих расходах на закупку нового ВВТ, но и о перспективных разработках, к которым относятся ПАК ДА и технологии ГЛА.
В создании гиперзвуковых боеприпасов (ракеты или снаряда) не всё однозначно. Явное преимущество гиперзвука – скорость, короткое время подлёта к цели, высокая гарантия преодоления систем ПВО и ПРО. Однако немало и проблем – дороговизна одноразового боеприпаса, сложность управления при изменении траектории полёта. Эти же недостатки стали решающими аргументами при сокращении или закрытии программ по пилотируемому гиперзвуку, то есть по гиперзвуковым самолётам.
Проблема дороговизны боеприпаса может решаться решается наличием на борту самолёта мощного вычислительного комплекса расчётов параметров бомбометания (пуска), который превращает обычные бомбы и ракеты в высокоточное оружие. Аналогичные бортовые вычислительные комплексы, установленные в боеголовках гиперзвуковых ракет, позволяют приравнять их к классу стратегического высокоточного оружия, которое, по мнению военных специалистов НОАК, способно заменить комплексы МБР. Наличие ракетных ГЛА стратегической дальности поставит под вопрос необходимость содержания дальней авиации, как имеющей ограничения по скорости и эффективности боевого применения.
Появление в арсенале любой армии гиперзвуковой зенитной ракеты (ГЗР) вынудит стратегическую авиацию «прятаться» на аэродромах, т.к. максимальное расстояние, с которого могут применяться крылатые ракеты бомбардировщика, такие ГЗР преодолеют за несколько минут. Повышение дальности, точности и манёвренности ГЗР позволит им сбивать МБР противника на любых высотах, а также срывать массированный налёт стратегических бомбардировщиков до выхода их на рубежи пуска крылатых ракет. Пилот «стратега», возможно и обнаружит запуск ГЗР, но увести самолёт от поражения вряд ли успеет.
Разработки ГЛА, которые сейчас интенсивно ведутся в развитых странах, свидетельствуют, что ведется поиск надежного инструмента (оружия), которое может гарантированно уничтожить ядерный арсенал противника до начала применения ядерного оружия, как последнего аргумента при защите государственного суверенитета. Гиперзвуковое оружие может применяться и по основным центрам политического, экономического и военного могущества государства.
Гиперзвук в России не забыт, идут работы по созданию ракетного оружия на основе этой технологии (МБР «Сармат», МБР «Рубеж», Х-90), но делать ставку только на один вид вооружения («чудо-оружие», «оружия возмездия») было бы, как минимум, не правильно.
В создании ПАК ДА ясности нет до сих пор, так как до сих пор неизвестны основные требования по его назначению и боевому применению. Существующие стратегические бомбардировщики, как составляющие ядерной триады России, постепенно теряют свое значение из-за появления новых видов оружия, в том числе и гиперзвукового.
Курс на «сдерживание» России, провозглашенный главной задачей НАТО, объективно способен привести к агрессии против нашей страны, в которой будут участвовать подготовленные и вооружённые современными средствами армии «Североатлантического договора». По количеству личного состава и вооружений НАТО превосходит Россию в 5–10 раз. Вокруг России выстраивается «санитарный пояс», включающий военные базы и позиции ПРО. По сути, проводимые НАТО мероприятия в военных терминах описывается как оперативная подготовка театра военных действий (ТВД). При этом главным источником поставок вооружений остаётся США, как было и в Первую, и Второю мировые войны.
Гиперзвуковой стратегический бомбардировщик может в течение часа оказаться в любой точке земного шара над любым военным объектом (базой), с которого обеспечивается снабжение ресурсами группировок войск, в том числе и в «санитарном поясе». Малоуязвимы для систем ПРО и ПВО, он может уничтожить такие объекты мощным высокоточным неядерным оружием. Наличие такого ГЛА в мирное время станет дополнительным сдерживающим фактором для сторонников глобальных военных авантюр.
Гражданский ГЛА может стать технической основой прорыва в развитии межконтинентальных перелётов и космических технологий. Научно-технический задел проектов Ту-2000, М-19 и «Аякс» по-прежнему актуален и может быть востребован.
Каким же будет будущий ПАК ДА – дозвуковым с СГКР или гиперзвуковым с доработанным обычным оружием, решать заказчикам – Министерству обороны и Правительству России.
«Кто ещё до сражения побеждает предварительным расчетом, у того шансов много. Кто ещё до сражения не побеждает расчетом, у того шансов мало. У кого шансов много – побеждает. У кого шансов мало – не побеждает. Тем более тот, у кого шансов нет вовсе». /Сунь Цзы, «Искусство войны»/
Военный эксперт Алексей Леонков
-
по ссылке .
Стоимость годовой подписки -
12 000 руб.
Гиперзвуковым называют летательный аппарат, способный осуществлять полёт с гиперзвуковой скоростью.
Что такое гиперзвуковая скорость
В аэродинамике часто пользуются величиной, которая показывает отношение скорости движения потока или тела к скорости звука. Это отношение называют числом Маха, по имени австрийского учёного Эрнста Маха, который заложил основы аэродинамики сверхзвуковых скоростей.
где М – число Маха;
u – скорость воздушного потока или тела,
c s – скорость распространения звука.
В атмосфере при обычных условиях скорость звука равна приблизительно 331 м/с. Скорость тела в 1 Мах соответствует скорости звука. Сверхзвуковой называют скорость в диапазоне от 1 до 5 М. Если же она превышает 5 М, то это уже гиперзвуковой диапазон. Это разделение условное, так как чёткой границы между сверхзвуковой и гиперзвуковой скоростью не существует. Так договорились считать в 70-е годы ХХ столетия.
Из истории авиации
"Зильбертфогель"
Впервые создать гиперзвуковой самолёт пытались ещё во время Второй мировой войны в нацистской Германии. Автором этого проекта, который назывался «Зильбертфогель » (серебряная птица) был австрийский учёный Ойген Зенгер. Самолёт имел и другие названия: «Amerika Bomber », «Orbital-Bomber », «Antipodal-Bomber », «Atmosphere Skipper », «Ural-Bomber ». Это был бомбардировщик-ракетоплан, который мог нести до 30 тонн бомб. Он предназначался для бомбардировки США и промышленных районов России. К счастью, в те времена на практике такой самолёт построить было невозможно, и он остался только в чертежах.
North American X-15
В 60-е годы ХХ века в США был создан первый в истории самолёт-ракетоплан Х-15, основной задачей которого было изучение условий полёта на гиперзвуковых скоростях. Этот аппарат смог преодолеть высоту 80 км. Рекордом считался полёт Джо Уокера, выполненный в 1963 г., когда была достигнута высота 107,96 км и скорость 5,58 М.
Х-15 был подвешен под крылом стратегического бомбардировщика «Б-52». На высоте 15 км он отделился от самолёта-носителя. В этот момент включился его собственный жидкостный ракетный двигатель. Он проработал 85 секунд и отключился. К этому времени скорость самолёта достигла 39 м/с. В самой высокой точке траектории (апогее) аппарат был уже за пределами атмосферы и находился в невесомости почти 4 минуты. Пилот провёл запланированные исследования, с помощью газовых рулей направил самолёт в атмосферу и вскоре приземлился. Рекорд высоты, достигнутый Х-15, продержался почти 40 лет, до 2004 г.
X-20 Dyna Soar
С 1957 по 1963 г.г. по заказу военно-воздушных сил США компанией Boeing проводились разработки пилотируемого космического перехватчика-разведчика-бомбардировщика Х-20. Программа называлась X-20 Dyna-Soar . На орбиту на высоту 160 км Х-20 должна была выводить ракета-носитель. Скорость самолёта планировалась немного ниже первой космической, чтобы он не стал спутником Земли. С высоты самолёт должен был «нырять» в атмосферу, снижаясь до 60-70 км, и проводить либо фотографирование, либо бомбометание. Затем снова поднимался, но уже на высоту, меньшую первоначальной, и снова «нырял» ещё ниже. И так до тех пор, пока не приземлялся на аэродроме.
На практике было изготовлено несколько макетов Х-20, подготовлены пилоты-астронавты. Но по ряду причин программу свернули.
Проект «Спираль»
В ответ на программу X-20 Dyna-Soar в 1960-е г.г. в СССР был начат проект «Спираль». Это была принципиально новая система. Предполагалось, что мощный самолёт-разгонщик с воздушно-реактивными двигателями, весом в 52 т и длиной 28 м, разгоняется до скорости 6 М. С его «спины» на высоте 28-30 км стартует пилотируемый орбитальный самолёт весом 10 т и длиной 8 м. Оба самолёта, взлетающие с аэродрома вместе, могли каждый в отдельности осуществлять самостоятельную посадку. Кроме того, самолёт-разгонщик с его гиперзвуковой скоростью планировали использовать ещё и как пассажирский авиалайнер.
Так как для создания такого гиперзвукового самолёта-разгонщика требовались новые технологии, то в проекте предусматривалась возможность использовать не гиперзвуковой, а сверхзвуковой самолёт.
Вся система разрабатывалась в 1966 г. в конструкторском бюро ОКБ-155 А.И. Микояна. Два варианта модели прошли полный цикл аэродинамических исследований в центральном аэродинамическом институте им. профессора Н.Е. Жуковского в 1965 – 1975 г.г. Но создать самолёт всё-таки не получилось. И эта программа, как и американская, была свёрнута.
Гиперзвуковая авиация
К началу 70-х гг. ХХ века полёты на сверхзвуковых скоростях стали обыденным явлением для военных самолётов. Появились и сверхзвуковые пассажирские самолёты. Воздушно-космические самолёты могли проходить плотные слои атмосферы с гиперзвуковыми скоростями.
В СССР работы над гиперзвуковым самолётом начались в ОКБ Туполева в середине 70-х годов. Проводилось исследование и проектирование самолёта, способного развивать скорость до 6 М (ТУ-260) с дальностью полёта до 12 000 км, а также гиперзвукового межконтинентального самолёта ТУ-360. Его дальность полёта должны была достигать 16 000 км. Был даже подготовлен проект пассажирского гиперзвукового самолёта, рассчитанного на полёт на высоте 28-32 км со скоростью 4,5 – 5 М.
Но чтобы самолёты могли летать на сверхзвуковых скоростях, их двигатели должны иметь черты и авиационной, и космической техники. Существующие воздушно-реактивные двигатели (ВРД), использовавшие атмосферный воздух, имели ограничения по температуре и могли использоваться на самолётах, скорости которых не превышали 3 М. А ракетные двигатели должны были нести большой запас топлива на борту и не годились для продолжительных полётов в атмосфере.
Оказалось, что наиболее рациональным для гиперзвукового самолёта является прямоточный воздушно- реактивный двигатель (ПВРД), в котором нет вращающихся частей, в комбинации с турбореактивным двигателем (ТРД) для разгона. Предполагалось, что для полётов с гиперзвуковыми скоростями наиболее подходит ПВРД на жидком водороде. А разгонный двигатель - это ТРД на керосине или жидком водороде.
Впервые прямоточным воздушно - реактивным двигателем был оснащён беспилотный аппарат Х-43А, который, в свою очередь, был установлен на крылатой ракете-носителе «Pegasus».
29 марта 2004 г. в Калифорнии поднялся в воздух бомбардировщик Б-52. Когда он достиг высоты 12 км, с него стартовал Х-43А. На высоте 29 км он отделился от ракеты-носителя. В этот момент запустился его собственный ПВРД. Он проработал всего 10 секунд, но смог развить гиперзвуковую скорость в 7 М.
В данный момент Х-43А является самым быстрым самолётом в мире. Он способен развивать скорость до 11230 км/час и может подниматься на высоту до 50 км. Но это всё-таки беспилотный летательный аппарат. Но недалёк тот час, когда появятся гиперзвуковые самолёты, на которых смогут летать и обычные пассажиры.
