Гіперзвукова швидкість км. ч. Смертельний гіперзвук. З історії авіації
У січні відбулася знакова подія: клуб власників технологій гіперзвукового поповнився новим членом. Китай 9 січня 2015 р. пережив гіперзвуковий глайдер (планер) під назвою WU-14. Це керований апарат, який встановлюється на верхівці міжконтинентальної балістичної ракети (МБР). Ракета піднімає глайдер у космос, після чого глайдер пікірує на ціль, розвиваючи швидкість у тисячі кілометрів на годину.
За даними Пентагону, китайський гіперзвуковий апарат WU-14 може встановлюватися на різні китайські балістичні ракети з дальністю стрільби від 2 до 12 тис. км. У ході січневих тестів WU-14 розвинув швидкість 10 М - це понад 12,3 тис. км/год. Сучасні засоби протиповітряної оборони не в змозі надійно вразити ціль, що маневрує, що летить на такій швидкості. Таким чином, Китай став третьою країною, після США та Росії, що володіє технологією гіперзвукових носіїв ядерної та звичайної зброї.
Гіперзвуковий глайдер HTV-2 відокремлюється від розгінного блоку (США)
США та Китай працюють над схожими проектами гіперзвукових глайдерів, які отримують початкове прискорення за рахунок підйому на велику висоту за допомогою ракети-носія, а потім розганяються під час керованого спуску з великих висот. Переваги подібної системи – велика дальність (аж до глобального удару по будь-якій точці поверхні Землі), порівняно простий пристрій глайдера (немає маршового двигуна), велика маса бойової частини та висока швидкість польоту (понад 10 М).
Росія зосереджена на розробці ракет із гіперзвуковим прямоточним повітряно-реактивним двигуном (ГПВРД), які можуть запускатися із землі, кораблів чи бойових літаків. Існує російсько-індійський проект із розробки подібних систем зброї, тож до 2023 р. Індія також може увійти до "гіперзвукового клубу". Перевага гіперзвукових ракет у меншій вартості та більшій гнучкості застосування на відміну від глайдерів, що запускаються за допомогою МБР.
Експериментальна гіперзвукова ракета з ГПВРД X-51A WaveRider (США)
Обидва типи гіперзвукової зброї можуть нести звичайну або ядерну бойову частину (БЛ). Фахівці Австралійського інституту стратегічної політики розрахували, що кінетична енергія удару гіперзвукової боєголовки (без фугасної або ядерної БЧ) з масою 500 кг і швидкістю 6 М за руйнуваннями, що заподіюється, порівняна з підривом боєголовки звичайної дозвукової ракети AGM-84 Har кг. Це лише чверть вогневої потужності російської протикорабельної ракети П-270 Москіт із вибухівкою масою 150 кг та швидкістю 4 М.
Здавалося б, гіперзвукова зброя не набагато перевищує існуючу надзвукову, проте все не так просто. Справа в тому, що боєголовки балістичних ракет легко виявляються на великій відстані і падають по передбачуваній траєкторії. І хоча їхня швидкість величезна, сучасні комп'ютерні технології уможливили перехоплення боєголовок на етапі спуску, що зі змінним успіхом демонструє американська система протиракетної оборони.
У той же час гіперзвукові літальні апарати заходять на ціль відносно пологої траєкторії, знаходяться в повітрі короткий час і можуть маневрувати. У більшості сценаріїв сучасні системи ППО не в змозі за короткий проміжок часу виявити та вразити гіперзвукову мету.
Гіперзвукова ракета зі швидкістю 6 М пролетить відстань від Лондона до Нью-Йорка лише за 1 годину
Сучасні зенітні ракети просто не зможуть наздогнати гіперзвукову мету, наприклад, ракета зенітного ракетного комплексу С-300 може розганятися до швидкості 7,5 М, та й то лише на короткий проміжок часу. Таким чином, мета зі швидкістю близько 10 М для неї в переважній більшості випадків буде "не по зубах". Крім того, здатність гіперзвукової зброї, що вражає, може бути збільшена завдяки використанню касетної бойової частини: високошвидкісна шрапнель з вольфрамових "цвяхів" здатна вивести з ладу промисловий об'єкт, великий корабель або знищити скупчення живої сили і бронетехніки на великій площі.
Поширення гіперзвукової зброї, здатної проходити крізь будь-які системи ППО, ставить нові питання забезпечення глобальної безпеки та військового паритету. Якщо в цій галузі не буде досягнуто рівноважного стримування, як у випадку з ядерною зброєю, гіперзвукові удари можуть перетворитися на поширений інструмент тиску, адже лише кілька гіперзвукових боєголовок можуть зруйнувати економіку невеликої країни.
За розрахунками Пентагону, американська програма швидкого глобального удару за допомогою гіперзвукової зброї дозволить без радіаційного зараження місцевості протягом години вразити будь-яку мету у будь-якій точці світу. Навіть у разі ядерного конфлікту система може частково замінити ядерну зброю, вражаючи до 30% цілей.
Таким чином, члени "гіперзвукового клубу" отримають можливість майже гарантовано знищувати об'єкти критичної інфраструктури противника, наприклад, електростанції, пункти управління армією, військові бази, великі міста та промислові об'єкти. За розрахунками експертів, до появи перших серійних зразків гіперзвукової зброї залишилося 10-15 років, тож поки є час для розробки політичних угод, що обмежують застосування такої зброї у локальних конфліктах. Якщо таких угод не буде досягнуто, існує високий ризик ще більш масштабних гуманітарних катастроф, пов'язаних із застосуванням нової зброї.
Гіперзвуковим називають літальний апарат, здатний здійснювати політ із гіперзвуковою швидкістю.
Що таке гіперзвукова швидкість
В аеродинаміці часто користуються величиною, що показує відношення швидкості руху потоку або тіла до швидкості звуку. Це ставлення називають числом Маха, на ім'я австрійського вченого Ернста Маха, який заклав основи аеродинаміки надзвукових швидкостей.
де М - Число Маха;
u - Швидкість повітряного потоку або тіла,
c s - Швидкість поширення звуку.
В атмосфері за звичайних умов швидкість звуку дорівнює приблизно 331 м/с. Швидкість тіла на 1 Мах відповідає швидкості звуку. Надзвуковий називають швидкість діапазоні від 1 до 5 М. Якщо вона перевищує 5 М, це вже гіперзвуковий діапазон. Цей поділ умовний, оскільки чіткої межі між надзвуковою та гіперзвуковою швидкістю не існує. Так домовилися рахувати у 70-ті роки ХХ століття.
З історії авіації
"Зільбертфогель"
Вперше створити гіперзвуковий літак намагалися ще під час Другої світової війни у нацистській Німеччині. Автором цього проекту, який називався « Зільбертфогель»(Срібний птах) був австрійський учений Ойген Зенгер. Літак мав інші назви: « Amerika Bomber», « Orbital-Bomber», « Antipodal-Bomber», « Atmosphere Skipper», « Ural-Bomber». То справді був бомбардувальник-ракетоплан, який міг нести до 30 тонн бомб. Він призначався для бомбардування США та промислових районів Росії. На щастя, в ті часи на практиці такий літак збудувати було неможливо, і він залишився тільки в кресленнях.
North American X-15
У 60-ті роки ХХ століття в США було створено перший в історії літак-ракетоплан Х-15, основним завданням якого було вивчення умов польоту на гіперзвукових швидкостях. Цей апарат зміг подолати висоту 80 км. Рекордом вважався політ Джо Уокера, виконаний 1963 р., коли було досягнуто висота 107,96 км і швидкість 5,58 М.
Х-15 був підвішений під крилом стратегічного бомбардувальника "Б-52". На висоті 15 км він відокремився від літака-носія. У цей момент увімкнувся його власний рідинний ракетний двигун. Він пропрацював 85 секунд і вимкнувся. На цей час швидкість літака досягла 39 м/с. У найвищій точці траєкторії (апогеї) апарат був уже поза атмосфери і перебував у невагомості майже 4 хвилини. Пілот провів заплановані дослідження, за допомогою газових кермів направив літак в атмосферу та незабаром приземлився. Рекорд висоти, досягнутий Х-15, протримався майже 40 років, до 2004 року.
X-20 Dyna Soar
З 1957 по 1963 р.р. на замовлення військово-повітряних сил США компанією Boeing проводилися розробки пілотованого космічного перехоплювача-розвідника-бомбардувальника Х-20. Програма називалася X-20 Dyna-Soar. На орбіту на висоту 160 км Х-20 мала виводити ракета-носій. Швидкість літака планувалася трохи нижче за першу космічну, щоб він не став супутником Землі. З висоти літак мав «пірнати» в атмосферу, знижуючись до 60-70 км, і проводити фотографування або бомбометання. Потім знову піднімався, але вже на висоту, меншу за початкову, і знову «пірнав» ще нижче. І так доти, доки не приземлявся на аеродромі.
На практиці було виготовлено кілька макетів Х-20, підготовлено пілоти-астронавти. Але з низки причин програму згорнули.
Проект «Спіраль»
У відповідь на програму X-20 Dyna-Soarу 1960-ті р.р. в СРСР було розпочато проект «Спіраль». Це була нова система. Передбачалося, що потужний літак-розгінник з повітряно-реактивними двигунами, вагою 52 т і довжиною 28 м, розганяється до швидкості 6 М. З його «спини» на висоті 28-30 км стартує пілотований орбітальний літак вагою 10 т і довжиною 8 м Обидва літаки, що злітають з аеродрому разом, могли кожен окремо здійснювати самостійну посадку. Крім того, літак-розгінник з його гіперзвуковою швидкістю планували використовувати ще як пасажирський авіалайнер.
Так як для створення такого гіперзвукового літака-розгонника були потрібні нові технології, то в проекті передбачалася можливість використовувати не гіперзвуковий, а надзвуковий літак.
Вся система розроблялася 1966 р. у конструкторському бюро ОКБ-155 А.І. Мікоян. Два варіанти моделі пройшли повний цикл аеродинамічних досліджень у центральному аеродинамічному інституті ім. професора Н.Є. Жуковського 1965 – 1975 р.р. Але створити літак таки не вдалося. І ця програма, як і американська, була згорнута.
Гіперзвукова авіація
На початку 70-х років. ХХ століття польоти на надзвукових швидкостях стали звичайним явищем для військових літаків. З'явилися й надзвукові пасажирські літаки. Повітряно-космічні літаки могли проходити щільні шари атмосфери з гіперзвуковими швидкостями.
У СРСР роботи над гіперзвуковим літаком почалися в ОКБ Туполєва в середині 70-х років. Проводилося дослідження та проектування літака, здатного розвивати швидкість до 6 М (ТУ-260) із дальністю польоту до 12 000 км, а також гіперзвукового міжконтинентального літака ТУ-360. Його дальність польоту мала досягати 16 000 км. Було навіть підготовлено проект пасажирського гіперзвукового літака, розрахованого на політ на висоті 28-32 км зі швидкістю 4,5 - 5 М.
Але щоб літаки могли літати на надзвукових швидкостях, їх двигуни повинні мати риси і авіаційної, і космічної техніки. Існуючі повітряно-реактивні двигуни (ВРД), що використовували атмосферне повітря, мали обмеження за температурою і могли використовуватися налітаки, швидкості яких не перевищували 3 М. А ракетні двигуни мали нести великий запас палива на борту і не підходили для тривалих польотів в атмосфері.
Виявилося, що найбільш раціональним для гіперзвукового літака є прямоточний повітряно-реактивний двигун (ПВРД), в якому немає частин, що обертаються, в комбінації з турбореактивним двигуном (ТРД) для розгону. Передбачалося, що для польотів з гіперзвуковими швидкостями найбільше підходить ПВРД на рідкому водні. А розгінний двигун - це ТРД на гасу або рідкому водні.
Вперше прямоточним повітряно-реактивним двигуном було оснащено безпілотний апарат Х-43А, який, у свою чергу, був встановлений на крилатій ракеті-носія Pegasus.
29 березня 2004 р. у Каліфорнії піднявся у повітря бомбардувальник Б-52. Коли він досягнув висоти 12 км, з нього стартував Х-43А. На висоті 29 км він відокремився від ракети-носія. У цей момент запустився його власний ПВРД. Він пропрацював лише 10 секунд, але зміг розвинути гіперзвукову швидкість 7 М.
На даний момент Х-43А є найшвидшим літаком у світі. Він здатний розвивати швидкість до 11 230 км/год і може підніматися на висоту до 50 км. Але це все-таки безпілотний літальний апарат. Але недалека та година, коли з'являться гіперзвукові літаки, на яких зможуть літати і звичайні пасажири.
Як ми з вами обговорювали досить скептичну думку, проте роботи ці ніхто не зупиняє і всі рухаються вперед.
За даними джерела в оборонно-промисловому комплексі, новітня російська гіперзвукова протикорабельна ракета «Циркон» досягла на випробуваннях восьми швидкостей звуку.
За словами джерела, "під час випробувань ракети було підтверджено, що її швидкість на марші досягає 8 Махів", передає ТАРС. Крім того, як зазначило джерело, ракети «Циркон» можуть запускатися з універсальних пускових установок 3С14, які також використовуються для ракет «Калібр» та «Онікс».
Дальність стрілянини «Цирконом», згідно з відкритими даними, становить близько 400 кілометрів. У лютому обізнане джерело повідомляло, що гіперзвукова ракета «Циркон», призначена для підводних човнів типу «Ясен» та «Хаскі», вперше може бути запущена з морського носія навесні цього року. У квітні 2016 року джерело в російському оборонно-промисловому комплексі зазначало, що «Циркон» має бути запущений у серійне виробництво у 2018 році.
Американська X-51AWaverider при останньому тестовому польоті показала швидкість 4,8 МАХ.
А тепер трохи докладніше про "Циркон".
Число "Маха" або "М" визначає відношення локальної швидкості потоку до швидкості звуку - 331 м/с. Перевищити швидкість звуку у шість-вісім разів - одне з глобальних завдань розвитку сучасного авіа та ракетобудування. З появою гіперзвукових літальних апаратів конструктори пов'язують прорив у нове, шосте покоління авіаційної техніки. З військової точки зору гіперзвукові літальні апарати дуже ефективний ударний засіб. Гіперзвуковий політ невиразний для сучасних засобів радіолокації. Не існує і навіть не передбачається створення засобів перехоплення таких ракет.
Глобальне роззброєння
У СРСР це зрозуміли ще у 60-х роках минулого століття, коли проектували розташовану під Москвою систему НПРО із ракетами А-135. Система перехоплення ядерних боєголовок, що входять в атмосферу на швидкості 5-10 км в секунду, вирішена на комплексі досить своєрідно. Якщо електроніка все одно їх не бачить, то й ракету треба націлювати не «в копієчку», а «в біле світло», мабуть, вирішили конструктори та встановили на протиракеті ядерну бойову частину. Тобто, знаючи про ядерний напад, радянська протиракета вистрілювалася в район передбачуваного знаходження ворожих ядерних блоків, щоб знищити їх за допомогою зустрічного ядерного вибуху в атмосфері. Система ця, нагадаємо, досі стоїть на озброєнні. І вважається єдиною ефективною системою НПРО у світі.
«Щоб виявити атакуючі цілі, навести на них протиракети та зробити зустрічний залп, є кілька десятків хвилин, - розповів телеканалу «Зірка» Володимир Дворкін, який до 2001 року очолював 4-й ЦНДІ Міноборони (інститут, який займався проблемами розвитку та застосування ядерної зброї). – Американська морська ракета «Трайдент» летить до нас 15-20 хвилин, сухопутний «Мінітмен-3» – 25-35 хвилин».
Це знижує ймовірність «роззброєння противника», каже експерт, у нас завжди залишається час на те, щоб підготуватися, зустріти ці ракети і хоча б більшу частину їх знищити. Отже, зберігається можливість ядерного удару у відповідь по території США. Тому в Америці сьогодні розробляється нова концепція ядерної війни. У рамках програми «блискавичного глобального удару» Вашингтон планує отримати зброю, здатну пролетіти відстань від США до Росії за вдвічі, а то й утричі менший час, щоб у противника просто не залишилося жодних шансів відреагувати. Досягти цього передбачається за рахунок створення гіперзвукових літальних апаратів.
На відміну від балістичних ракет, гіперзвукові стартуватимуть із бомбардувальників, а також наземних пускових Mk-41. Це повинно унеможливити виявлення пуску існуючими космічними та наземними засобами попередження про ракетний напад. Отже, створить ілюзію можливості безкарно розпочати і виграти ядерну війну. Ця теорія дуже популярна у експертному співтоваристві США.
У результаті лише США різними відомствами розробляється відразу кілька перспективних проектів: X-43A (НАСА), X-51A (ВВС), AHW (Сухопутні війська), ArcLight (DARPA, ВМС), Falcon HTV-2 (DARPA, ВВС). Їхня поява, на думку фахівців, дозволить створити гіперзвукові авіаційні крилаті ракети великої дальності, морську крилату ракету у протикорабельному та ударному проти наземних цілях варіантах до 2018-2020 років, розвідувальний літак – до 2030 року.
Над виходом на гіперзвук б'ється Франція. Китай нещодавно випробував плануючий апарат WU-14, який зумів досягти гіперзвукових швидкостей. Ну і, звісно, Росія.
Гонка технологій
«Зазвичай надзвукові крилаті ракети летять на швидкості 2-3 махи, – каже кандидат фізико-математичних наук Микола Григор'єв. - Ми хочемо, щоб наші апарати літали зі швидкістю понад 6 махів. При цьому цей політ має бути тривалим. Не менше 7-10 хвилин, за які апарат повинен самостійно розвинути швидкість понад півтори тисячі метрів за секунду».
Перший гіперзвуковий апарат було створено СРСР ще наприкінці 1970-х років минулого століття. 1997 року конструктори дубнінського МКБ «Райдуга» вперше показали його на авіасалоні МАКС. Представлений він був як система нового класу – гіперзвуковий експериментальний літальний апарат (ГЕЛА) Х-90. На Заході його називали AS-19 Koala. За даними підприємства, ракета летіла на дальність до 3 тис км. Несла дві боєголовки з індивідуальним наведенням, здатні вразити цілі на відстані 100 км від точки поділу. Носієм Х-90 міг стати подовжений варіант стратегічного бомбардувальника Ту-160М.
На початку 90-х років минулого століття МКБ провела спільну роботу з німецькими інженерами з проблеми гіперзвуку на базі іншої своєї ракети Х-22 "Буря" (за класифікацією НАТО - AS-4 Kitchen ("Кухня"). Ця надзвукова крилата ракета входить у склад штатного озброєння далекого бомбардувальника Ту-22М3, який може літати на 600 км і нести термоядерну або звичайну бойову частину вагою в 1 т. Ракета призначена для знищення авіаносців США. польоту.
Крім того, як нагадує Григор'єв, в СРСР було створено космічний корабель багаторазового використання "Буран", який при вході в щільні шари атмосфери розвивав швидкість 25 махів. Сьогодні, за словами експерта, завдання полягає в тому, щоб зробити подібний політ активним, тобто машина має не просто «планувати», а самостійно розвивати та підтримувати таку швидкість, змінювати напрямок польоту.
Від «Коали» до «Ярса»
Випробування гіперзвукових апаратів – таємниця за сімома печатками. Судити про те, як справи з їх розробкою, можна тільки за повідомленнями американців про успіх чи невдачу в ході тих чи інших випробувальних пусків. Останній такий експеримент вони провели у серпні. Пуск ракети Х-43А було зроблено з полігону Кодьяк на Алясці. Ракета розроблялася як спільний проект американської армії та лабораторії Sandia National у рамках концепції «Швидкого глобального удару». Її перше випробування відбулося у листопаді 2011 року. Передбачалося, що в ході нинішніх випробувань ракета, набравши швидкість близько 6,5 тис. км/год, вразить навчальну мету на тихоокеанському атоле Кваджалейн. У результаті апарат пропрацював лише 7 секунд перед тим, як згорів у атмосфері. Тим не менш, у США назвали цей політ успішним – машина продемонструвала здатність набрати необхідне прискорення.
Радянська Х-90, про яку хоч щось достеменно відомо, літала далі та довше. Як кажуть конструктори, машина швидко нагрівалася від опору повітря, що руйнувало апарат чи призводило до неробочого стану механізми всередині корпусу. Для досягнення гіперзвуку для прямоточного реактивного ракетного двигуна був потрібний водень або хоча б паливо, що складається значною мірою з водню. А це дуже складно здійснити технічно, оскільки газоподібний водень має малу щільність. Зберігання рідкого водню створювало інші непереборні технічні труднощі. Ну і, нарешті, під час гіперзвукового польоту навколо Х-90 виникала плазмова хмара, яка спалювала радіоантени, що призводило до втрати керованості апаратом.
Втім, ці недоліки в результаті перетворили на переваги. Проблему охолодження корпусу та водневого палива вирішили тим, що як його компоненти стали використовувати суміш гасу та води. Вона після нагрівання подавалась у спеціальний каталітичний міні-реактор, у якому проходила ендотермічна реакція каталітичної конверсії, у результаті якої вироблялося водневе паливо. Цей процес спричиняв сильне охолодження корпусу апарату. Не менш оригінально була вирішена проблема обгорання радіоантен, як яких стали використовувати саму плазмову хмару.
При цьому плазмова хмара дозволила апарату не тільки рухатися в атмосфері зі швидкістю 5 км за секунду, але й робити це «ламаними» траєкторіями. Машина могла різко змінювати напрямок польоту. Крім того, плазмова хмара ще й створювала ефект невидимості апарату для радарів. Х-90 не надійшла на озброєння, роботу над ракетою було припинено ще 1992 року.
Але принципи її роботи дуже схожі на опис дій маневруючих ядерних боєголовок балістичних ракет «Тополь-М», «Ярс» та нової РС-26. Міноборони неодноразово наводило їх як приклад подолання будь-якої системи протиракетної оборони. Маневруючий блок будь-якої секунди може «вивільнити», непередбачено змінивши напрям польоту, що гарантовано забезпечує поразку мети. Жодна система НПРО не здатна прорахувати таку траєкторію та навести на атакуючий блок протиракети.
Бойовий «Качконіс»
Минулого року в Міноборони повідомили, що гіперзвуковою зброєю оснащуватимуть насамперед літаки дальньої авіації. На той момент ракети вже існували, щоправда, їхній політ на гіперзвуку тривав лише кілька секунд. Про це неодноразово заявляв і віце-прем’єр Дмитро Рогозін. Проте жодних конкретних деталей ані військові, ані віце-прем'єр, ані представники промисловості не наводили.
Про поточні успіхи у створенні гіперзвукових літальних апаратів можна судити лише за непрямими ознаками. Наприклад, цього літа корпорація «Тактичне ракетне озброєння», Міноборони та Мінпромторг відзвітували, що погодили програму створення гіперзвукових ракетних технологій. У розробку перспективної техніки буде вкладено понад 2 млрд. рублів, а перший апарат з'явиться не пізніше 2020 року. Що це будуть за апарати, які характеристики матимуть і для яких цілей не оголошується.
Про те, що заділ, як кажуть, є, можна судити хоча б по виставці МАКС у підмосковному Жуковському. У 2011 році Центральний інститут авіаційного моторобудування з підмосковного Литкаріно демонстрував цілу низку перспективних гіперзвукових апаратів. На стенді інституту було виставлено кілька макетів перспективних ракет, більше схожих не на класичні сигароподібні ракети, а на шедевр скульптора авангардиста, який взяв у прообраз свого творіння австралійського звірка качконоса - розплющений лопатоподібний «ніс» обтічника, рубані форми самого обтічника. Тоді представник інституту В'ячеслав Семенов повідомив, що у 2012 році Міноборони буде представлено повністю придатний льотний зразок гіперзвукової крилатої ракети. Про це говорив і Борис Обносов. Про що конкретно йшлося – невідомо. Жодних офіційних повідомлень про нову ракету в пресі не було. Проте неодноразово проскакувала назва перспективного комплексу "Циркон".
За непрямими ознаками його основу входить ракета, створена з урахуванням надзвукової протикорабельної ракети «Яхонт» та її російсько-індійського аналога «БраМос». Індійська BrahMos Aerospace Limited неодноразово анонсувала роботи зі створення гіперзвукового варіанта своєї продукції. Демонстрував її макет той самий «Качконіс».
У майбутньому ракети "Циркон" встановлять на нові російські багатоцільові атомні підводні човни п'ятого покоління "Хаскі", які зараз перебувають у розробці конструкторського бюро "Малахіт". Ракетний крейсер «Адмірал Нахімов», який проходить ремонт з модернізацією в Сєвєродвінську, до 2018 року оснастять універсальним корабельним стрільбовим комплексом, що дозволяє застосовувати ракети «Калібр», «Онікс» та перспективні гіперзвукові ПКР «Циркон».
джерела
Загальні відомості
Політ на гіперзвуковій швидкості є частиною надзвукового режиму польоту та здійснюється у надзвуковому потоці газу. Надзвуковий потік повітря докорінно відрізняється від дозвукового і динаміка польоту літака при швидкостях вище швидкості звуку (вище 1,2 М) кардинально відрізняється від дозвукового польоту (до 0,75 М, діапазон швидкостей від 0,75 до 1,2 М називається трансзвуковою швидкістю ).
Визначення нижньої межі гіперзвукової швидкості зазвичай пов'язане з початком процесів іонізації та дисоціації молекул у прикордонному шарі (ПС) біля апарату, який рухається в атмосфері, що починає відбуватися приблизно при 5 М. Також ця швидкість характеризується тим, що прямоточний повітряно-реактивний двигун (« ПВРД») з дозвуковим згорянням палива («СПВРД») стає марним через надзвичайно високе тертя, яке виникає при гальмуванні повітря, що проходить у двигуні цього типу. Таким чином, у гіперзвуковому діапазоні швидкостей для продовження польоту можливе використання тільки ракетного двигуна або гіперзвукового ПВРД (ГПВРД) з надзвуковим згорянням палива.
Характеристики потоку
У той час як визначення гіперзвукового потоку (ГП) досить спірне через відсутність чіткої межі між надзвуковим та гіперзвуковим потоками, ДП може характеризуватись певними фізичними явищами, які вже не можуть бути проігноровані при розгляді, а саме:
Тонкий шар ударної хвилі
У міру збільшення швидкості та відповідних чисел Маха, щільність позаду ударної хвилі (УВ) також збільшується, що відповідає зменшенню об'єму ззаду від УВ завдяки збереженню маси. Тому шар ударної хвилі, тобто об'єм між апаратом і УВ стає тонким при високих числах Маха, створюючи тонкий прикордонний шар (ПС) навколо апарату.
Утворення в'язких ударних шарів
Частина великої кінетичної енергії, укладеної повітряному потоці, при М > 3 (в'язкий перебіг) перетворюється на внутрішню енергію з допомогою в'язкого взаємодії. Збільшення внутрішньої енергії реалізується у зростанні температури. Так як градієнт тиску, спрямований нормалі до потоку в межах прикордонного шару, приблизно дорівнює нулю, істотне збільшення температури при великих числах Маха призводить до зменшення щільності. Таким чином, ПС на поверхні апарату росте і при великих числах Маха зливається з тонким шаром ударної хвилі поблизу носової частини, утворюючи в'язкий ударний шар.
Поява хвиль нестійкості в ПС, не властивих до- та надзвукових потоків
Високотемпературний потік
Високошвидкісний потік у лобовій точці апарату (точці або області гальмування) викликає нагрівання газу до високих температур (до кількох тисяч градусів). Високі температури, у свою чергу, створюють нерівноважні хімічні властивості потоку, які полягають у дисоціації та рекомбінації молекул газу, іонізації атомів, хімічних реакцій у потоці та з поверхнею апарату. У цих умовах можуть бути суттєві процеси конвекції та радіаційного теплообміну.
Параметри подібності
Параметри газових потоків прийнято описувати набором критеріїв подоби, які дозволяють звести практично нескінченну кількість фізичних станів у групи подібності і які дозволяють порівнювати газові потоки з різними фізичними параметрами (тиск, температура, швидкість тощо) між собою. Саме на цьому принципі засноване проведення експериментів в аеродинамічних трубах і перенесення результатів цих експериментів на реальні літальні апарати, незважаючи на те, що в трубних експериментах розмір моделей, швидкості потоку, теплові навантаження тощо можуть сильно відрізнятися від режимів реального польоту, водночас час, параметри подібності (числа Маха, Рейнольдса, Стантона та ін.) відповідають польотним.
Для транс- та надзвукового або стисливого потоку, в більшості випадків таких параметрів як число Маха (відношення швидкості потоку до місцевої швидкості звуку) і Рейнольдса достатньо для повного опису потоків. Для гіперзвукового потоку даних параметрів часто недостатньо. По-перше, що описують форму ударної хвилі рівняння стають практично незалежними на швидкостях від 10 М. По-друге, збільшена температура гіперзвукового потоку означає, що ефекти, що відносяться до неідеальних газів, стають помітними.
Облік ефектів у реальному газі означає більшу кількість змінних, які потрібні для повного опису стану газу. Якщо стаціонарний газ повністю описується трьома величинами: тиском, температурою, теплоємністю (адіабатичним індексом), а рухомий газ описується чотирма змінними, яка включає ще швидкість, то гарячий газ в хімічній рівновазі також вимагає рівнянь стану для складових його хімічних процесів дисоціації та іонізації повинен ще включати час як одну зі змінних свого стану. В цілому це означає, що у будь-який вибраний час для нерівноважного потоку потрібно від 10 до 100 змінних для опису стану газу. Крім того, розріджений гіперзвуковий потік (ГП), який зазвичай описується в термінах чисел Кнудсена, не підкоряються рівнянням Навье-Стокса і вимагають їх модифікації. ДП зазвичай категоризується (або класифікується) з використанням загальної енергії, вираженої з використанням загальної ентальпії (мДж/кг), повного тиску (кПа) і температури, гальмування потоку (К) або швидкості (км/с).
Ідеальний газ
В даному випадку повітряний потік, що проходить, може розглядатися як потік ідеального газу. ДП в даному режимі все ще залежить від чисел Маха і моделювання керується температурними інваріантами, а не адіабатичною стінкою, що має місце при найменших швидкостях. Нижня межа цієї області відповідає швидкостям близько 5 М, де СПВРД із дозвуковим згорянням стають неефективними, і верхня межа відповідає швидкостям у районі 10-12 М.
Ідеальний газ із двома температурами
Є частиною випадку режиму потоку ідеального газу з великими значеннями швидкості, в якому повітряний потік, що проходить, може розглядатися хімічно ідеальним, але вібраційна температура і обертальна температура газу повинні розглядатися окремо, що призводить до двох окремих температурних моделей. Це має особливе значення при проектуванні надзвукових сопел, де вібраційне охолодження через збудження молекул стає важливим.
Дисоційований газ
Режим домінування променевого перенесення
На швидкостях вище 12 км/с передача тепла апарату починає відбуватися переважно через променевий перенесення, який починає домінувати над термодинамическим переносом разом із зростанням швидкості. Моделювання газу в цьому випадку поділяється на два випадки:
- оптично тонкий - у разі передбачається, що газ не перепоглинає випромінювання, що надходить з інших його частин чи обраних одиниць обсягу;
- оптично товстий - де враховується поглинання випромінювання плазмою, яке потім перевипромінюється навіть на тіло апарату.
Моделювання оптично товстих газів є складним завданням, оскільки через обчислення радіаційного перенесення в кожній точці потоку обсяг обчислень зростає експоненційно разом із зростанням кількості точок, що розглядаються.
Мені ставлять питання про випробування нової ракети "Авангард" із "гіперзвуковими" (називається швидкість польоту в атмосфері 20-27 Махов, тобто швидкостей звуку) бойовими блоками.
Скажу чесно – для суворого коментаря інформації не вистачає, а та, що є – вкрай суперечлива. Але дещо сказати можна.
Почну з визначення поняття "гіперзвуковий". У авіації гіперзвуковою швидкістю вважається швидкість вже 5-6 (зрозуміло, і більше) швидкостей звуку цієї висоти. Чому для цієї? Тому що швидкість звуку повітря залежить від його тиску, а тиск падає з висотою. Відповідно, на різних висотах швидкість звуку різна (кому цікаво – погуглить стандарт МСА – міжнародної стандартної атмосфери).
У загальному випадку гіперзвуковою швидкістю має будь-який апарат, що летить в атмосфері зі швидкістю більше М>5...6
Наприклад, апарат космічного корабля "Союз", що спускається, при поверненні з космосу входить в атмосферу з першою космічною швидкістю (приблизно М=23...24), а будь-яка ракета-носій, стартуючи з земної поверхні і розганяючись до першої космічної швидкості, теж з якогось моменту летить на гіперзвуковій швидкості (поки не вийде за межі атмосфери). Але – увага! Назвати з гіперзвуковими літальними апаратами не можна! І саме тут починається мухлеж, який ми чуємо з офіційних джерел при вихвалянні нашою новою зброєю: спочатку "Кинджалом", тепер "Авангардом". Тому що не будь-який апарат, що летить на гіперзвуковій швидкості, є гіперзвуковим літальним апаратом. Наприклад, боєголовки балістичних ракет, що літають із середини минулого століття і входять в атмосферу на гіперзвуку, не є гіперзвуковими літальними апаратами (ГЛА).
В авіації є чітке визначення ГЛА - це літальний апарат, який якийсь час здійснює гіперзвуковий політ, що встановився в атмосфері. Встановлений - це коли сила тяги двигуна компенсує опору повітря (забезпечується сталість гіперзвукової швидкості), а сила тяжкості компенсується підйомною аеродинамічною силою (постійність висоти польоту). При цьому маневрування (зміна напрямку польоту) може забезпечуватись відхиленням аеродинамічних поверхонь (кермів) або зміною вектора тяги двигуна.
Двигун може бути ракетним (рідинним або твердопаливним) або повітряно-реактивним (наприклад, гіперзвуковим прямоточним повітряно-реактивним).
Ракетний двигун працює дуже нетривалий час, що вимірюється секундами (десятками). Тому апарат з ракетним двигуном спочатку набирає швидкість, а потім, після вироблення палива та вимкнення двигуна, летить за інерцією, гальмуючи опором зустрічного потоку повітря. Саме тому ракета, частину часу летячи із надзвуковою швидкістю, НЕ Є гіперзвуковим літальним апаратом. Відповідно, "Кинжал" є аеробалістичною ракетою "Іскандер" повітряного базування, але не гіперзвуковим літальним апаратом. Як ті ж "Сатана" чи "Іскандер".
Гіперзвуковий політ, що встановився, може забезпечити тільки гіперзвуковий повітряно-реактивний двигун (ГПВРД), що вигідно відрізняється від ракетного тим, що якщо для нього паливо (паливо і окислювач) запасаються на борту літального апарату і спалюються за десятки секунд, то у гіперзвукового апарату з ГПВР тільки пальне, а окислювач (кисень) береться з навколишньої атмосфери. Саме це забезпечує на порядки більш високу ефективність (економічність) ДПВРД, та час його роботи десятки хвилин і більше.
Підсумовуючи сказане: гіперзвуковий літальний апарат - це апарат з гіперзвуковою КРЕЙСЕРСЬКОЮ швидкістю, що виконує політ, що встановився на гіперзвуковій швидкості, як правило - за рахунок гіперзвукового повітряно-реактивного двигуна. І з наявної інформації, ні "Авангард", ні його бойові блоки, що планують, не є гіперзвуковими літальними апаратами, а всього лише - маневруючими боєголовками зі збільшеною атмосферною ділянкою польоту. І судячи з усього, що летять за інерцією. Нагадаю, що перші пуски прообразів таких бойових блоків було здійснено в СРСР ще у 1960-х роках (наприклад, "ракетоплани" МП-1 Володимира Челомея).
Що ж стосується власне створення по-справжньому гіперзвукових літальних апаратів з ГПВРД, то це найскладніше інженерно-технічне завдання, вирішення якого в "Авангарді" і не стоїть поруч. І наскільки це взагалі "по зубах" сучасної Росії - бааальське питання... Це і в американців поки не виходить, а ми від них у цьому плані сильно в дупі, хоча в СРСР були хороші напрацювання в рамках теми "Холод".
Чому "Холод"? Та тому що паливом для гіперзвукових літальних апаратів може бути лише рідкий водень або зріджений газ, теплоємність яких допомагає охолоджувати апарат та гіперзвуковий двигун у польоті.
Ще два моменти, які потребують пояснень, судячи з коментарів на запуск "Авангарду".
Перший - температура лобової (навітряної) частини бойового блоку в 2000 град. При температурі у фронті ударної хвилі в 20000 градусів - цілком реально. Досить згадати, що "вуглець-вуглецеві" шкарпетки на "Бурані" витримували температуру до 1750 градусів, а з того часу з'явилися нові матеріали (кому цікаво - дивіться тут http://www.buran.ru/htm/tersaf4.htm, нижче) до посту дана картинка для плиткового теплозахисту "Бурана").
Другий - швидкість польоту М = 27. Багато хто звернув увагу, що ця швидкість вища за першу космічну, тобто. і наш "Буран", і американські шатли, і різні апарати, що спускаються, як і всі боєголовки балістичних ракет, входять в атмосферу з більш низькою швидкістю. Наприклад, для "Бурана" розрахунок посадкової траєкторії починався з висоти 152500 метрів ("офіційний кордон" космосу 100 км) - у цей момент він мав швидкість 7578 метрів за секунду, що дорівнювало 22,82 Маха. Корабель падав, тобто. прискорювався, тому максимальне число Маха = 27,92 досягалося на висоті 93-90 км. Це ще космос, атмосфери майже немає. Наприклад, швидкісний напір (динамічний тиск зустрічного потоку) на цій висоті на вказаній швидкості 7,5 км/с становить лише... 10 кг на квадратний (!) метр. У таких умовах говорити про "гіперзвуковий" політ на висоті 90 км може тільки повний ідіот. Ну, чи гуманітарій. Ну а за температурою вже все помітно – з початкових 27 градусів Цельсія на орбіті до висоти 90 км. температура встигає піднятися до 1200 градусів.
Однак якщо говорити про максимальний нагрів (тут важливий кумулятивний ефект, та й швидкісний натиск наростає швидше за темп зниження швидкості), то максимум 1656 градусів С досягається до висоти 77800 метрів (швидкість 7582 м/с, або М=26.69), і тримається до висоти 69400 метрів (швидкість 6277 м/с, чи М=21.05). Як бачите, названі швидкості М=27 цілком реальні, але політ, що встановився, на такому режимі при сучасних технологіях немислимий. Все, що ми сьогодні чуємо – це вихоплення дилетантами цифр із контексту.
Ну а щодо "подарунка на Новий рік" - спочатку пенсію поверни, балабол...
PS: що ще можу додати. У середині "нульових" років з'явилася вкрай цікава і надсекретна тема (напрягшимся компетентним товаришам можу дати посилання на єдину відкриту публікацію в журналі "Авіаційна техніка та технології" НВО "Блискавка") - так звані "трансатмосферні літальні апарати". в атмосфері на крейсерських швидкостях вище першої космічної швидкості, але тут, судячи з усього, абсолютно не той випадок.
PPS: і останнє (якщо бути точним) - як визначення для "гіперзвукового літального апарату" я використав визначення терміна "гіперзвуковий літак"
Підвищення робочих температур теплозахисних матеріалів