Со скоростью гиперзвука

Гиперзвуковой летательный аппарат способен осуществлять полет в атмосфере со скоростью большей, или равной 5М (М - скорость звука), также, объект может свободно маневрировать с использованием аэродинамических сил. Для любой страны мира владение таким аппаратом это заманчивая перспектива, так как она даёт неограниченные возможности в первую очередь в военных областях, прежде всего такой аппарат может рассматриваться как средство доставки ядерного оружия. И действительно, сбить такую ракету практически невозможно. На сегодняшний день гиперзвуковыми ракетами не обладает ни одного государство мира, хотя ведутся напряжённые разработки гиперзвуковых двигателей.

У нас в России такие работы, хотя и производились с непродолжительными паузами, но уже в 2001 году в июле месяце стартовала ракета «Тополь». При этом было очень примечательным, по мнению специалистов, неординарное поведение боеголовки. Тогда еще не было подтверждения об оснащении боеголовки собственным двигателем, что позволило бы ей с гиперзвуковой скоростью маневрировать в атмосфере. Уже упомянутые учения, проходившие в феврале 2004 года стали настоящей сенсацией. Именно во время этих учебных маневров и была запущена пара баллистических ракет: «Тополь-М» и РС-18. Последняя при этом была оснащена экспериментальным аппаратом, который показался в космосе, и вновь вернулся в атмосферу. Этот маневр казался невероятным.

Когда боеголовка попадает в плотные слои атмосферы, ее скорость равняется 5000 м/с, поэтому, она должна быть оснащена специальной защитой от перегрева и перегрузок. Скорость экспериментального аппарата была никак не меньше, что не препятствовало ему менять скорость, и при этом не разрушиться. В аэродинамике чудес не бывает. Советский Буран, американские шаттлы, и современные истребители имеют много общего. По всем параметрам, испытанный во время учебных маневров аппарат, должен быть очень похож на Х-90. Его внешний вид, является секретом, и по сей день. Этот аппарат в отличие от баллистических боеголовок способен менять траекторию полета в любой момент, что соответствует заранее заложенной программе, также он может быть перенацелен на иную цель прямо над территорией противника.

Обычная боеголовка всегда следует своей неизменной траектории, и может в любую минуту, быть перехваченной, противоракетой. РС-18 имела устройство, которое меняло направление полета и высоту, что помогало преодолевать любую противоракетную систему. На вопросы журналистов о том, как США отреагируют на данную новость, президент ответил, что США сами активно занимаются разработкой собственного оружия. Вашингтон совсем недавно покинул договор по ПРО, и заявил, что этот шаг никак не направлен против России.

В США развитие воздушно-реактивных прямоточных двигателей имеет свою, достаточно долгую историю. Теоретические разработки были начаты еще в 40-е годы, а к экспериментальному этапу американские ВМФ, ВВС, и НАСА приступили примерно в 50-х годах. Идея этой проработки базируется на различных исследовательских программах, которые связаны с конструированием двигателей на углеродном и водородном топливе. Среди этих разработок особо хочется выделить программу НАСА. Перед разработчиками в 1986 году была поставлена цель, создать такой летательный аппарат, который бы смог развивать скорость больше 15 Махов, и при этом, чтобы он взлетал и садился на горизонтальную площадку. Программа завершилась в 1993 году, а созданная в процессе программы конструкция двигателя, которая оказалась оригинальной, легла в основу силовой установки, которую использовали на аппарате Х-43А.

ВВС США в 2001 году провели наземные испытания самого первого неохлаждаемого ПВРД, который работал на углеводородном топливе. Опыты проводились совместно с мотостроительной компанией. Двигатель, сделанный из никелевых сплавов, и стал результатом этого сотрудничества в 2003 году. Причем этот двигатель охлаждается потоком собственного горючего, и может стать в перспективе основой для крылатых ракет, космических аппаратов и самолетов. Наземные испытания ПВРД были произведены в прошлом году, работы велись целой группой организаций – ВМФ США, Aerojet, DARPA, и университетом Хопкинса. Двигатель был сконструирован из никелевых сплавов, и был предназначен только для крылатых гиперзвуковых ракет, при работе используется топливо JP10.

Российские разработки.
Владимир Львович Фрайштадт работал в Санкт-петербургском Научном исследовательском предприятии по гиперзвуковым системам, в холдинговой компании под названием «Ленинец», им и была выдвинута принципиально новая концепция для гиперзвукового летательного аппарата (ГЛА). Он предложил, летящий с огромной скоростью аппарат не защищать от тепла, а наоборот, впустить внутрь это тепло для улучшения и повышения энергоресурса. Исходя из концепции «Аякс», летательный гиперзвуковой аппарат представляет собой открытую неизолированную аэротермодинамическую систему. В данной системе, на протяжении всех этапов атмосферного полета, малая часть кинетической энергии, расщепляясь бортовыми подсистемами, увеличивает общий ресурс данного аппарата, и далее, преобразовывается в электрическую и химическую энергии. Это решало многие проблемы, в том числе и проблему охлаждения планера.
Первоначально «Аякс» был создан как бы в ответ на планы американцев создать гиперзвуковой разведчик «Аврора», который позже преобразуется в гиперзвуковой самолет сверхдальних полетов, а еще позже в начальную ступень, для того чтобы выводить полезную нагрузку на орбиту.

Гиперзвуковой летательный аппарат в качестве топлива использует углеводороды (сжиженный метан или керосин) и воду. Чтобы утилизировать тепло, в двойной обшивке аппарата размещается термохимический реактор. Углеводородное топливо подается прямо в этот реактор после того, как аппарат разгонится и обшивка нагреется. Углеводородное топливо используется в качестве эндотермического топлива, то есть поглощающего тепло. Под действием давления, температуры, и с помощью катализатора смесь воды с топливом разлагается на свободный водород и олефин. Это водородосодержащая смесь и поступает прямо в магнитоплазмохимический двигатель, который представляет собой гиперзвуковой ПВРД, МГД генератор, и МГД ускоритель, который находится за камерой сгорания. МГД генератор  играет роль компрессора, и до оптимальной скорости тормозит поток воздуха. Ионизированный и заторможенный поток воздуха уже попадает в камеру сгорания, туда же подается и топливо, обогащенное водородом (метан или керосин).

В сопло попадают уже истекающие продукты сгорания, разгоняющиеся дополнительно ускорителем МГД, и уже расширяясь, выходят наружу. Для того чтобы ионизировать воздух и ускорить поток, используют электроэнергию, которую вырабатывает МГД генератор. Это дает возможность повысить скорость летательного аппарата на 30%, и выиграть ряд дополнительных преимуществ. Образующая плазменная воронка вокруг воздухозаборника ГПВРД увеличивает диаметр его эффективности, и возрастает почти до сотни метров, а плазменные облака-пятна впереди летательного аппарата ощутимо снижают сопротивление воздуха возле крыльев. Чтобы ионизировать воздух можно применять лазерное излучение, или источник нейтронов.

Таким образом, аппарат, летящий в атмосфере, будет способен преобразовывать энергию кинетическую от набегающего потока воздуха, в широкий спектр разных видов энергии. На базе концепции «Аякс» было разработано гиперзвуковое семейство летательных аппаратов «Нева» для орбитальной и околоземной транспортировки пассажиров или полезных грузов. Концепция «Аякса» имеет новизну с огромным коэффициентом технического риска, поэтому разгорелись жаркие дебаты по поводу целесообразности разработок, поэтому проекту. К 1993 году только стало известно об окончательном вердикте, вынесенном экспертной комиссией крупнейших ученых. Вердикт гласил, что данная концепция абсолютно не противоречит современным данным науки.

Однако для проведения работ нужны были средства, которых не было. И вот к маю 2001 года стало известно, что ОАО «Ленинец» подписало соглашение с Китаем о начале совместной работы над ГЛА концепции «Аякс». Проект рассчитан на 15 лет. С объемом вложений пока не определились, но по примерным подсчетам экспертов, на разработку похожего проекта за границей, расходуется примерно 70-80 млн. долларов. Финансовые документы планируется подписать в 2011 году в сентябре месяце. Также соглашением предусмотрено сотрудничество в области разработки РЭА оборудования для авиации различных видов, и спутниковых систем навигации.

Ракета Х-90 "Коала" (“AS-19 Koala”).
Испытание первой в мире гиперзвуковой маневрирующей ракеты было произведено в 2004 году в феврале месяце, во время проведения командных штабных учений «Безопасность 2004». При этом присутствовал и президент Путин. Проект AS-19 – это ответ России на новую программу вашингтонской противоракетной обороны, новое российское оружие запускается со стратегических бомбардировщиков класса ТУ-160. Оно преодолевает любую систему ПРО, и носит название Х-90. Этот проект на Западе озаглавлен как «AS-19 Koala». Предполагают, что под Х-90 скрыта первая в мире управляемая крылатая гиперзвуковая ракета, тактические и технические характеристики которой, а также ее внешние данные являются военной тайной. По некоторым данным, на вооружение она должна быть принята в 2010 году.
ТУ-160М – стратегический бомбардировщик, ставший символом военного могущества в России. «М»- означает модифицированный, то есть крылья машины немного увеличены. Так вот именно с его помощью запускается Х-90, которая имеет способность, преодолевать любые, встречающиеся на ее пути системы ПРО, и с прицельной меткостью попадать в цель, даже на других континентах.

Х-90 начала свою историю в 1971 году. Тогда к правительству СССР обратилась группа разработчиков с просьбой построить небольшие стратегические крылатые ракеты, которые могли бы совершать различные действия на небольших высотах, применимые к рельефу местности. Предложение на тот момент никакого отклика у руководства не нашло. Вспомнили о нем лишь тогда, когда США в 1975 году занялось разработкой крылатых стратегических ракет Cruise Missile. Разработчикам был срочно отдан приказ начать разработку в 1976 году, а завершиться этот проект должен был к середине 1982 года. В декабре же 1983 года ракета должна была быть принята на вооружение.

Главное требование заключалось в том, что ракета должна обладать сверхзвуковой скоростью. Х-90 достигла скорости 3М к концу 70-х годов, а уже в 80-х скорость достигала 3-4М. В авиасалоне МАКС-1997 все посетители павильона «Радуга» могли полюбоваться на экспериментальный летательный гиперзвуковой аппарат. Этот аппарат и есть прототип новой крылатой ракеты, которая сможет нести на своем борту пару боеголовок индивидуального наведения, поражающие самостоятельно цели на расстоянии более 100 км, от основной ракеты, и от точки ее отделения. В роли носителя выступит бомбардировщик ТУ-160М.

На то время летательный гиперзвуковой аппарат Х-90, имел длину примерно 12 метров, и был оснащен прямоточным двигателем. Сегодняшняя ракета не превышает 9 метров. После того, как от самолета-носителя ракета на высоте 8000-20000 отделяется, у нее раскрываются треугольные крылья, которые имеют размах около 7 метров, а также раскрывается и хвостовое оперение. Затем включается твердотопливный ускоритель, с помощью которого ракета и разгоняется до сверхзвуковой скорости, далее начинает действовать маршевый двигатель, который и обеспечивает скорость 4-5М. Радиус примерного действия охватывает 3500 километров.

Как все это действует.
Чтобы летательный аппарат с ГПВРД достиг нужных скоростей, его двигатель должен пройти несколько этапов работы. Чтобы разогнать скорость до 3-4 Махов можно использовать турбинные двигатели на газу, или же ракетные ускорители, как внешние, так и внутренние. Достигая скорости 4 Маха, ГПРВД начинает переходить с режима низкой скоростной тяги в режим устойчивых скачков уплотнения, формирующихся в двигателе. Они создают у входа в камеру сгорания участки воздушного потока на скорости дозвуковой. В ГПВРД, традиционном, этим занимается диффузор и воздухозаборник, которые снижают поток скорости до такого уровня, который намного ниже скорости звука, за счет роста площади диффузора, следовательно, таким образом можно достичь на дозвуковых скоростях полного сгорания смеси. Необходимую же тягу выдает расширяющееся, и суживающееся сопло, которое располагается за камерой сгорания. При выходе из камеры в ГПРВД образуется «тепловое газовое дросселирование, которое совсем не требует геометрического реального сужения сопла. Поток сужается благодаря тому, что газ смешивается с воздухом, и потоки точно распределяются.

Пока самолет с ГПРВД совершает разгон на собственной тяге от 3 до 8 Махов, двигатель успевает перейти на другой режим в диапазоне от 5 до 7 Махов. Этот момент считается переходным, так как двигатель работает и как гиперзвуковой и как ГПВРД традиционный. Замедляются в камере сгорания и рост температуры, и рост давления. В результате, чтобы работа двигателя была нормальной, достаточно и короткой зоны предварительного сжатия. От горловины воздухозаборника скачки уплотнения сдвигаются как можно ближе к входу камеры сгорания.

Достигнув порога в 6 Махов, воздушный поток по отношению к дозвуковым скоростям тормозит настолько, что это местами приводит к полной почти его остановке, а это вызывает довольно резкие перепады теплопередачи и давления. Появление таких симптомов, примерно на промежутке между 5 и 6 Махами может служить звоночком, о том, что пора перейти на режим полного ГПВРД. Ну а если скорость уже зашкалила за 7 Махов, то процесс сгорания уже не разделяет воздушный поток, и тогда двигатель принимается работать все в том же режиме ГПВРД, но уже без всяких скачков уплотнения перед камерой сгорания. Отходившие от воздухозаборника ударные волны распределяются по всему двигателю.

На скорости более 8 Махов в силу вступают свои законы физики, которые просто требуют, чтобы режим сгорания был сверхзвуковой, поскольку двигатель не выдержит температур и давлений, которые могут возникнуть при торможении потока воздуха до дозвуковых скоростей.
ГПВРД работающий на скоростях, от 5 до 15 Махов, создает ряд технических проблем. Это и борьба с перегрузками двигателя (в основном, с тепловыми), и сложности, возникающие при смешивании горючего с воздухом, и перегрев всех передних кромок воздухозаборника. Чтобы летать на гиперзвуковых скоростях, должны быть особые материалы и конструкции.

На скорости около 12 Махов происходит уравнивание скорости впрыскиваемого горючего со скоростью влетающего потока воздуха в камеру сгорания, и смешивание воздуха с горючим становится весьма затруднительным. Достигая еще большей скорости Маха большие температуры в камере сгорания, провоцируют ионизацию молекул и их распад. И все эти процессы ложатся на такую сложную картину потока воздуха, в котором происходит перемешивание только лишь сверхзвуковое, а также взаимодействие канала воздухозаборника с камерой сгорания и действуют законы горения, что делает почти невозможным расчет потоков газа, режима подачи теплового баланса и топлива камеры сгорания.

При гиперзвуковом полете двигатель летательного аппарата нагревается не только от того, как работает камера сгорания, но и от других систем: насосов, гидравлики, электроники. В летательных гиперзвуковых аппаратах, системы управления теплообменом в основном всегда собираются в двигателе, поскольку он и испытывает самые большие тепловые нагрузки. С двигателем вообще возникает множество проблем и недоразумений. Зона реактивного потока всегда отличалась огромными механическими, термическими и акустическими нагрузками, да и заполнена она всегда была только лишь коррозионной активной смесью, состоящей из раскаленных продуктов кислорода и сгорания.

Если двигатель не будет охлаждаться, то температура камеры сгорания превысит 2760 градусов по Цельсию, что, несомненно, намного выше точки плавления большинства металлов. С проблемой высоких температур к счастью удается справляться с помощью активного охлаждения, разработки специальных высокотемпературных конструкций, и правильного подбора материалов. У гиперзвукового летательного аппарата есть свои жесткие требования к материалам и конструкциям. Вот они: чересчур высокие температуры; полный нагрев аппарата; перемещающиеся и стационарные зоны нагрева от многочисленных ударных волн; большие аэродинамические нагрузки; большие нагрузки, возникающие при пульсации давления; возможность серьезных флаттеров, вибрации, которые флуктуируют нагрузки происхождения термического; эрозии под действием реактивных потоков внутри двигателя, и набегающих воздушных потоков.
Теперь после успешных испытаний на земле нескольких полномасштабных моделей, и после успешно проведенного полета на аппарате Х-43А, все реальнее и ближе становятся планы по созданию полноценного самолета с ГПВРД на углеводородном или водородном горючем. NASA готовит к запуску еще один Х-43А и планирует разогнать его до 10 Махов (до 12000 км/ч).

Компании Pratt & Whitney, ВВС США, и подразделение компании Boeing – Phantom Works, собираются и дальше проводить летные испытания ГПВРД, используя  углеводородное горючее. Испытания эти, с относительно простым в изготовлении двигателем, продемонстрируют весь диапазон всевозможных ускорений, и возможность устойчивой и постоянной работы на протяжении всего пары минут на скоростях 4-6 Махов. Также предполагается проверка управляемости двигателя и вообще всего аппарата с использованием компьютеров и сенсоров.
Демонстрация этих всевозможных достижений техники, а также ряд других запланированных воздушных и наземных испытаний откроют дорогу к созданию экономически пригодных и выгодных для множественной эксплуатации гиперзвуковых двигателей для космических аппаратов, крылатых ракет, и самолетов сверхдальнего действия. Эти аппараты войдут в эксплуатацию примерно в 2015 и в 2025 годах.