Informații generale
Zborul cu viteză hipersonică face parte din regimul de zbor supersonic și se efectuează într-un flux de gaz supersonic. Fluxul de aer supersonic este fundamental diferit de cel subsonic, iar dinamica zborului aeronavei la viteze peste viteza sunetului (peste 1,2 M) este fundamental diferită de zborul subsonic (până la 0,75 M; intervalul de viteză de la 0,75 la 1,2 M se numește viteză transsonică). ).
Determinarea limitei inferioare a vitezei hipersonice este de obicei asociată cu începerea proceselor de ionizare și disociere a moleculelor din stratul limită (BL) din apropierea vehiculului care se deplasează în atmosferă, care începe să apară la aproximativ 5 M. Această viteză se caracterizează și prin faptul că un motor ramjet (“Sramjetul subsonic cu combustie” devine inutil din cauza frecării extrem de mari care apare atunci când aerul care curge este decelerat în acest tip de motor. Astfel, în intervalul de viteză hipersonică, pentru a continua zborul, este posibil să se utilizeze doar un motor rachetă sau un ramjet hipersonic (scramjet) cu ardere supersonică a combustibilului.
Caracteristici de curgere
În timp ce definiția fluxului hipersonic (HS) este destul de controversată din cauza lipsei unei granițe clare între fluxurile supersonice și hipersonice, HS poate fi caracterizată prin anumite fenomene fizice care nu mai pot fi ignorate atunci când se iau în considerare, și anume:
Strat subțire de undă de șoc
Pe măsură ce viteza și numerele Mach corespunzătoare cresc, densitatea din spatele undei de șoc (SW) crește, de asemenea, corespunzătoare unei scăderi a volumului în spatele șocului datorită conservării masei. Prin urmare, stratul undei de șoc, adică volumul dintre dispozitiv și unda de șoc, devine subțire la numere Mach mari, creând un strat limită subțire (BL) în jurul dispozitivului.
Formarea straturilor de șoc vâscoase
O parte din energia cinetică mare conținută în fluxul de aer, la M > 3 (flux vâscos), este convertită în energie internă datorită interacțiunii vâscoase. O creștere a energiei interne se realizează printr-o creștere a temperaturii. Deoarece gradientul de presiune normal cu curgerea din stratul limită este aproximativ zero, o creștere semnificativă a temperaturii la numere Mach ridicate duce la o scădere a densității. Astfel, PS de pe suprafața vehiculului crește și la numere Mach mari se contopește cu un strat subțire al undei de șoc lângă prova, formând un strat de șoc vâscos.
Apariția undelor de instabilitate în PS, care nu sunt caracteristice fluxurilor sub- și supersonice
Debit de temperatură ridicată
Debitul de mare viteză în punctul frontal al aparatului (punctul sau regiunea de frânare) face ca gazul să se încălzească la temperaturi foarte ridicate (până la câteva mii de grade). Temperaturile ridicate, la rândul lor, creează proprietăți chimice de neechilibru ale fluxului, care constau în disocierea și recombinarea moleculelor de gaz, ionizarea atomilor, reacții chimice în flux și cu suprafața aparatului. În aceste condiții, procesele de convecție și transfer radiativ de căldură pot fi semnificative.
Parametrii de similitudine
Parametrii fluxurilor de gaz sunt de obicei descriși printr-un set de criterii de similitudine, care permit reducerea unui număr aproape infinit de stări fizice în grupuri de similaritate și care permit compararea fluxurilor de gaz cu diferiți parametri fizici (presiune, temperatură, viteză etc. .) unul cu altul. Pe acest principiu se bazează experimentele în tunelurile de vânt și transferul rezultatelor acestor experimente pe aeronave reale, în ciuda faptului că în experimentele cu tuburi dimensiunea modelelor, vitezele de curgere, încărcările termice etc. pot diferi foarte mult de condițiile reale de zbor, în același timp, parametrii de similitudine (numerele Mach, numerele Reynolds, numerele Stanton etc.) corespund celor de zbor.
Pentru fluxul transonic și supersonic sau compresibil, în majoritatea cazurilor, parametri precum numărul Mach (raportul dintre viteza curgerii și viteza locală a sunetului) și Reynolds sunt suficienți pentru a descrie complet fluxul. Pentru un flux hipersonic, acești parametri sunt adesea insuficienti. În primul rând, ecuațiile care descriu forma undei de șoc devin practic independente la viteze de la 10 M. În al doilea rând, temperatura crescută a fluxului hipersonic înseamnă că efectele legate de gazele neideale devin vizibile.
Luând în considerare efectele într-un gaz real înseamnă că este necesar un număr mai mare de variabile pentru a descrie pe deplin starea gazului. Dacă un gaz staționar este complet descris de trei mărimi: presiune, temperatură, capacitate termică (indice adiabatic), iar un gaz în mișcare este descris de patru variabile, care include și viteza, atunci un gaz fierbinte în echilibru chimic necesită, de asemenea, ecuații de stare pentru componentele sale chimice constitutive și un gaz cu procese de disociere și ionizare trebuie să includă și timpul ca una dintre variabilele stării sale. În general, aceasta înseamnă că, în orice moment ales, debitul de neechilibru necesită între 10 și 100 de variabile pentru a descrie starea gazului. În plus, fluxul hipersonic rarefiat (HF), descris de obicei în termeni de numere Knudsen, nu se supune ecuațiilor Navier-Stokes și necesită modificarea acestora. HP este de obicei clasificată (sau clasificată) folosind energia totală, exprimată folosind entalpia totală (mJ/kg), presiunea totală (kPa) și temperatura de stagnare a curgerii (K) sau viteza (km/s).
Gaz ideal
În acest caz, fluxul de aer care trece poate fi considerat un flux de gaz ideal. GP în acest regim depinde încă de numerele Mach și simularea este ghidată de invarianții de temperatură, mai degrabă decât de peretele adiabatic, care are loc la viteze mai mici. Limita inferioară a acestei regiuni corespunde vitezelor în jur de 5 Mach, unde jeturile SPV cu ardere subsonică devin ineficiente, iar limita superioară corespunde vitezelor în regiunea 10-12 Mach.
Gaz ideal cu două temperaturi
Face parte din cazul fluxului de gaz ideal de mare viteză, în care fluxul de aer care trece poate fi considerat ideal din punct de vedere chimic, dar temperatura de vibrație și temperatura de rotație a gazului trebuie luate în considerare separat, rezultând două modele de temperatură separate. Acest lucru este de o importanță deosebită în proiectarea duzelor supersonice, unde răcirea vibrațională datorată excitației moleculare devine importantă.
Gaz disociat
Modul dominant al transferului de radiații
La viteze de peste 12 km/s, transferul de căldură către aparat începe să aibă loc în principal prin transfer radial, care începe să domine asupra transferului termodinamic odată cu creșterea vitezei. Modelarea gazelor în acest caz este împărțită în două cazuri:
- subțire optic - în acest caz se presupune că gazul nu reabsoarbe radiația care provine din celelalte părți ale sale sau din unitățile de volum selectate;
- gros optic - unde se ia în considerare absorbția radiației de către plasmă, care este apoi reemisă, inclusiv pe corpul dispozitivului.
Modelarea gazelor groase optic este o sarcină complexă deoarece, datorită calculului transferului radiativ în fiecare punct al fluxului, volumul calculelor crește exponențial odată cu numărul de puncte luate în considerare.
Director general de onoare și designer general de onoare al JSC VPK NPO Mashinostroeniya, profesor la Universitatea Tehnică de Stat Bauman din Moscova - despre crearea și dezvoltarea aeronavelor hipersoniceCrearea și dezvoltarea aeronavelor hipersonice de luptă este unul dintre cele mai mari secrete nu numai în Rusia, ci și în SUA, China și alte țări ale lumii. Informațiile despre ei aparțin categoriei „top secret”. Într-un interviu exclusiv cu Izvestia, legendarul designer de rachete și tehnologie spațială, Herbert Efremov, care a dedicat mai bine de 30 de ani creării tehnologiei hipersonice, a explicat ce sunt vehiculele hipersonice și ce dificultăți se întâlnesc în dezvoltarea lor.
— Herbert Aleksandrovich, acum se vorbește mult despre crearea aeronavelor hipersonice, dar majoritatea informațiilor despre acestea sunt închise publicului larg...
— Să începem cu faptul că produsele care dezvoltă viteză hipersonică au fost create cu mult timp în urmă. De exemplu, acestea sunt capete obișnuite ale rachetelor balistice intercontinentale. Intrând în atmosfera Pământului, ei dezvoltă viteză hipersonică. Dar sunt incontrolabile și zboară pe o anumită traiectorie. Și interceptările lor de către sistemele de apărare antirachetă (BMD) au fost demonstrate de mai multe ori.
Ca un alt exemplu, voi da racheta noastră strategică de croazieră „Meteorit”, care odată a zburat cu o viteză nebună de Mach 3 - aproximativ 1000 m/s. Literal în pragul hipersunetului (vitezele hipersonice încep de la Mach 4,5 - Izvestia). Dar sarcina principală a aeronavelor hipersonice moderne (HSAV) nu este doar să zboare rapid undeva, ci să desfășoare o misiune de luptă cu eficiență ridicată în fața unei puternice opoziții inamice. De exemplu, numai americanii au 65 de distrugătoare din clasa Arleigh Burke cu apărare antirachetă pe mare. Există, de asemenea, 22 de crucișătoare antirachetă din clasa Ticonderoga, 11 portavioane - fiecare dintre ele bazat pe până la o sută de aeronave capabile să creeze un sistem de apărare antirachetă aproape impenetrabil.
— Vrei să spui că viteza în sine nu rezolvă nimic?
— În linii mari, viteza hipersonică este de 2 km/s. Pentru a parcurge 30 km, trebuie să zbori timp de 15 secunde. În partea finală a traiectoriei, când aeronava hipersonică se apropie de țintă, vor fi cu siguranță desfășurate sistemele antirachetă și de apărare aeriană ale inamicului, pe care GZV le va detecta. Și pentru ca sistemele moderne de apărare aeriană și de apărare antirachetă să fie fabricate, dacă sunt dislocate în poziții, este nevoie de câteva secunde. Prin urmare, pentru utilizarea eficientă în luptă a GZLA, viteza în sine nu va fi suficientă dacă nu ați asigurat ascunsarea și invincibilitatea electronică pentru sistemele de apărare aeriană/rachetă în timpul fazei finale a zborului. Aici, atât viteza, cât și capacitățile de protecție prin inginerie radio ale dispozitivului cu propriile stații de bruiaj radio vor juca un rol. Totul este într-un complex.
— Spui că nu trebuie să existe doar viteză, ci produsul trebuie să fie controlabil pentru a atinge scopul. Spuneți-ne despre posibilitatea de a controla un vehicul într-un flux hipersonic.
— Toate vehiculele hipersonice zboară în plasmă. Și capete de luptă nucleară zboară în plasmă și tot ce depășește vitezele lui Mach 4, în special 6. În jur se formează un nor ionizat și nu doar un flux cu turbulențe: moleculele sunt încă rupte în particule încărcate. Ionizarea afectează comunicarea și trecerea undelor radio. Este necesar ca sistemele de control și navigație ale GZV să pătrundă în această plasmă la aceste viteze de zbor.
Pe „Meteorit” trebuia să fim siguri că vedem suprafața pământului cu radar. Navigarea a fost asigurată prin compararea imaginilor de locație de la bordul rachetei cu un standard video încorporat în sistem. Altfel era imposibil. „Calibru” și alte rachete de croazieră pot zbura astfel: am folosit un radioaltimetru pentru a recunoaște terenul - aici este un deal, aici este un râu, aici este o vale. Dar acest lucru este posibil atunci când zbori la o altitudine de sute de metri. Și când te ridici la o înălțime de 25 km, nu vei putea discerne niciun deal acolo cu un radioaltimetru. Prin urmare, am găsit anumite zone la sol, le-am comparat cu ceea ce a fost înregistrat în referința video și am determinat deplasarea rachetei la stânga sau la dreapta, înainte, înapoi și cu cât.
— În multe manuale pentru manechine, zborul hipersonic în atmosferă este comparat cu alunecarea pe hârtie abrazivă datorită rezistenței foarte mari. Cât de adevărată este această afirmație?
- Puțin inexact. La hipersunete, încep tot felul de fluxuri turbulente, vârtejuri și tremurări ale dispozitivului. Regimurile de intensitate termică se modifică în funcție de faptul că fluxul de suprafață este laminar (neted) sau cu perturbări. Există o mulțime de dificultăți. De exemplu, sarcina termică crește brusc. Dacă zburați cu o viteză de Mach 3, încălzirea pielii GZLA este de aproximativ 150 de grade în atmosferă, în funcție de altitudine. Cu cât altitudinea de zbor este mai mare, cu atât mai puțină încălzire. Dar, în același timp, dacă zburați cu o viteză de două ori mai mare, încălzirea va fi mult mai mare. Prin urmare, trebuie utilizate materiale noi.
— Ce poate fi dat ca exemplu de astfel de materiale?
— Diverse materiale de carbon. Chiar și fibra de sticlă este folosită pe focoase nucleare care stau pe „sute” intercontinentale (rachete balistice UR-100 dezvoltate de NPO Mashinostroyenia). Cu hipersunetul, temperatura este de multe mii de grade. Dar oțelul ține doar 1200 de grade Celsius. Acestea sunt firimituri.
Temperaturile hipersonice duc așa-numitul „strat sacrificial” (stratul de acoperire care se consumă în timpul zborului aeronavei. - Izvestia). Prin urmare, carcasa focoaselor nucleare este proiectată astfel încât cea mai mare parte va fi „mâncat” de hipersunete, în timp ce umplutura internă va fi păstrată. Dar GZLA nu poate avea un „strat de sacrificiu”. Dacă zburați pe un produs controlat, trebuie să mențineți o formă aerodinamică. Nu puteți „toci” produsul, astfel încât degetele și marginile aripilor etc., să ardă. Acest lucru, apropo, s-a făcut pe navetele americane și pe Buranul nostru. Acolo s-au folosit materiale de grafit ca protecție termică.
— Este corect când scriu în literatura de specialitate că un vehicul atmosferic hipersonic ar trebui să aibă un design ca un singur corp solid monolit?
- Nu neapărat. Ele pot consta din compartimente și elemente diferite.
— Deci, este posibilă o structură clasică de rachetă?
- Cu siguranţă. Selectați materiale, comandați noi dezvoltări, dacă este necesar, verificați, lucrați pe bănci, în zbor, corectați dacă ceva nu merge bine. De asemenea, trebuie să puteți măsura acest lucru cu sute de senzori telemetrici de o complexitate incredibilă.
— Ce motor este mai bun - combustibil solid sau lichid pentru un vehicul hipersonic?
— Combustibilul solid nu este deloc potrivit aici, deoarece poate accelera, dar este imposibil să zbori mult timp cu el. Astfel de motoare sunt folosite în rachete balistice precum „Bulava” și „Topol”. În cazul GZLA, acest lucru este inacceptabil. Pe racheta noastră Yakhont (o rachetă de croazieră antinavă, parte a complexului Bastion. - Izvestia), doar acceleratorul de pornire este combustibil solid. Apoi zboară pe un motor ramjet lichid.
Există încercări de a realiza un motor ramjet cu un conținut intern de combustibil solid, care este răspândit în toată camera de ardere. Dar nici nu este suficient pentru distanțe lungi.
Pentru combustibil lichid, puteți face rezervorul mai mic, de orice formă. Unul dintre „Meteoriți” a zburat cu tancurile în aripi. A fost testat pentru că trebuia să realizăm o autonomie de 4-4,5 mii km. Și a zburat cu un motor cu aer care funcționează cu combustibil lichid.
— Care este diferența dintre un motor cu aer și un motor cu reacție cu propulsie lichidă?
— Un motor cu reacție lichidă conține un oxidant și un combustibil în rezervoare separate, care sunt amestecate în camera de ardere. Motorul cu reacție de aer este alimentat de un singur combustibil: kerosen, decilenă sau bicilină. Agentul de oxidare este oxigenul din aerul care intră. Bicilin (combustibil produs din motorină în vid prin procese de hidrogenare - Izvestia) a fost dezvoltat tocmai conform comenzii noastre pentru Meteorit. Acest combustibil lichid are o densitate foarte mare, ceea ce face posibilă realizarea unui rezervor mai mic.
— Sunt cunoscute fotografii ale aeronavelor hipersonice cu motor cu reacție. Toate au o formă interesantă: nu raționalizată, ci mai degrabă unghiulară și pătrată. De ce?
— Probabil că vorbiți despre X-90 sau, așa cum se numește în Occident, AS-X-21 Koala (prima GZLA experimentală sovietică. — Izvestia). Ei bine, da, acesta este un urs stângaci. În față sunt așa-numitele „plăci” și „pene” (elemente structurale cu colțuri ascuțite și proeminențe. - Izvestia). Totul este făcut pentru ca fluxul de aer care intră în motor să fie acceptabil pentru ardere și arderea normală a combustibilului. Pentru a face acest lucru, creăm așa-numitele unde de șoc (o creștere bruscă a presiunii, a densității, a temperaturii unui gaz și o scădere a vitezei acestuia atunci când un flux supersonic întâlnește orice obstacol. - Izvestia). Salturile se formează exact pe „plăci” și „pene” - acele elemente structurale care reduc viteza aerului.
Pe drumul către motor poate exista o a doua undă de șoc, sau o a treia. Întreaga nuanță este că aerul nu trebuie să intre în camera de ardere cu aceeași viteză cu care zboară GZLA. Cu siguranță trebuie redus. Și foarte mult. Preferabil la valori subsonice, pentru care totul a fost elaborat, verificat și testat. Dar tocmai aceasta este problema pe care creatorii GZLA încearcă să o rezolve și nu au rezolvat-o în 65 de ani.
De îndată ce sari dincolo de Mach 4,5, în astfel de mișcări de mare viteză, particulele de aer se strecoară rapid în motoare. Și trebuie să „adunați” combustibilul atomizat și oxidantul - oxigenul atmosferic. Această interacțiune trebuie să aibă un randament ridicat de ardere. Interacțiunea nu ar trebui să fie perturbată de un fel de ezitare sau de respirație suplimentară în interior. Nimeni nu și-a dat seama încă cum să facă asta.
— Este posibil să se creeze un GZLA pentru nevoi civile, pentru transportul de pasageri și mărfuri?
- Pot fi. La unul dintre spectacolele aeriene de la Paris a fost prezentată o aeronavă dezvoltată de francezi împreună cu britanici. Un motor turboreactor îl ridică la altitudine, iar apoi mașina accelerează până la aproximativ Mach 2. Motoarele ramjet se deschid, propulsând aeronava la Mach 3,5 sau Mach 4. Și apoi zboară la o altitudine de aproximativ 30 de kilometri undeva de la New York până în Japonia. Înainte de aterizare, se activează modul invers: mașina coboară, trece la un turboreactor, ca un avion obișnuit, intră în atmosferă și aterizează. Hidrogenul este considerat combustibil ca fiind cea mai bogată în calorii.
— În prezent, Rusia și Statele Unite dezvoltă cel mai activ avioane hipersonice. Puteți evalua succesul adversarilor noștri?
- Cât despre note, pot spune - lăsați băieții să lucreze. De 65 de ani, nu au făcut nimic. La viteze de la Mach 4,5 la 6, nu există un singur GZLA realizat efectiv.
În ianuarie, a avut loc un eveniment semnificativ: clubul proprietarilor de tehnologie hipersonică a fost completat cu un nou membru. Pe 9 ianuarie 2015, China a testat un planor hipersonic numit WU-14. Acesta este un vehicul ghidat care este montat deasupra unei rachete balistice intercontinentale (ICBM). Racheta ridică planorul în spațiu, după care planorul se scufundă spre țintă, dezvoltând o viteză de mii de kilometri pe oră.
Potrivit Pentagonului, vehiculul hipersonic chinezesc WU-14 poate fi instalat pe diferite rachete balistice chineze cu o rază de tragere de la 2 mii la 12 mii km. În timpul testelor din ianuarie, WU-14 a atins o viteză de 10 Mach, adică mai mult de 12,3 mii km/h. Sistemele moderne de apărare aeriană nu sunt capabile să lovească în mod fiabil o țintă de manevră care zboară cu o asemenea viteză. Astfel, China a devenit a treia țară, după Statele Unite și Rusia, care deține tehnologia purtătorilor hipersonici de arme nucleare și convenționale.
Planorul hipersonic HTV-2 se separă de treapta superioară (SUA)
Statele Unite și China lucrează la modele similare pentru planoare hipersonice care sunt inițial stimulate printr-o creștere la altitudini mari și apoi accelerate în timpul unei coborâri controlate de la altitudini mari. Avantajele unui astfel de sistem sunt o rază lungă de acțiune (până la o lovitură globală în orice punct de pe suprafața Pământului), un design relativ simplu al planorului (fără motor de propulsie), o masă mare a focosului și viteza mare de zbor (mai mult de 10 Mach).
Rusia se concentrează pe dezvoltarea de rachete hipersonice ramjet (scramjet) care pot fi lansate de la sol, nave sau avioane de luptă. Există un proiect ruso-indian pentru a dezvolta astfel de sisteme de arme, astfel încât până în 2023 India să se alăture și „clubului hipersonic”. Avantajul rachetelor hipersonice este un cost mai mic și o mai mare flexibilitate de utilizare, spre deosebire de planoarele lansate folosind ICBM-uri.
Rachetă hipersonică experimentală cu scramjet X-51A WaveRider (SUA)
Ambele tipuri de arme hipersonice pot transporta un focos convențional sau nuclear. Experții de la Australian Strategic Policy Institute au calculat că energia cinetică a impactului unui focos hipersonic (fără un focos puternic exploziv sau nuclear) cu o masă de 500 kg și o viteză de 6 M în ceea ce privește distrugerea cauzată este comparabilă cu detonarea focosului unei rachete subsonice convenționale AGM-84 Harpoon, echipată cu un focos cu o masă explozivă de aproximativ 100 kg. Acesta este doar un sfert din puterea de foc a rachetei antinavă rusești P-270 Moskit, cu o masă explozivă de 150 kg și o viteză de 4 Mach.
S-ar părea că armele hipersonice nu sunt cu mult superioare armelor supersonice existente, dar totul nu este atât de simplu. Faptul este că focoasele de rachete balistice sunt ușor de detectat la distanțe mari și cad pe o traiectorie previzibilă. Și, deși viteza lor este enormă, tehnologia computerizată modernă a făcut posibilă interceptarea focoaselor în timpul etapei de coborâre, așa cum a demonstrat sistemul american de apărare antirachetă cu diferite grade de succes.
În același timp, aeronavele hipersonice se apropie de țintă pe o traiectorie relativ plană, rămân în aer pentru o perioadă scurtă de timp și pot manevra. În majoritatea scenariilor, sistemele moderne de apărare aeriană nu sunt capabile să detecteze și să angajeze o țintă hipersonică într-o perioadă scurtă de timp.
O rachetă hipersonică cu o viteză de 6 M va zbura distanța de la Londra la New York în doar 1 oră
Rachetele antiaeriene moderne pur și simplu nu pot ajunge din urmă cu o țintă hipersonică, de exemplu, o rachetă din sistemul de rachete antiaeriene S-300 poate accelera la o viteză de 7,5 Mach și chiar și atunci doar pentru o perioadă scurtă de timp. Astfel, în marea majoritate a cazurilor, o țintă cu o viteză de aproximativ 10 M va fi „prea dură” pentru aceasta. În plus, letalitatea armelor hipersonice poate fi crescută prin utilizarea unui focos de grup: schijele de mare viteză din „cuiele” de tungsten pot dezactiva o instalație industrială, o navă mare sau pot distruge o concentrație de forță de muncă și vehicule blindate peste o mare. zonă.
Proliferarea armelor hipersonice capabile să treacă prin orice sisteme de apărare aeriană ridică noi probleme de asigurare a securității globale și a parității militare. Dacă nu se realizează descurajarea echilibrului în acest domeniu, așa cum este cazul armelor nucleare, loviturile hipersonice ar putea deveni un instrument comun de presiune, deoarece doar câteva focoase hipersonice pot distruge economia unei țări mici.
Potrivit calculelor Pentagonului, programul american de lovitură globală rapidă folosind arme hipersonice va face posibilă lovirea oricărei ținte oriunde în lume în decurs de o oră fără contaminarea cu radiații a zonei. Chiar și în cazul unui conflict nuclear, sistemul poate înlocui parțial armele nucleare, lovind până la 30% din ținte.
Astfel, membrii „clubului hipersonic” vor avea posibilitatea de a garanta aproape distrugerea infrastructurii critice inamice, de exemplu, centrale electrice, centre de control al armatei, baze militare, orașe mari și facilități industriale. Potrivit experților, au mai rămas 10-15 ani până la apariția primelor modele de producție de arme hipersonice, așa că mai este timp să se dezvolte acorduri politice care să limiteze utilizarea unor astfel de arme în conflictele locale. Dacă nu se ajunge la astfel de acorduri, există un risc ridicat de dezastre umanitare și mai mari asociate cu utilizarea de noi arme.
Săptămâna aceasta, a avut loc al treilea zbor de testare al aeronavei hipersonice americane (HLA) X-51 AWaveRider, un prototip al unei rachete promițătoare. Cu toate acestea, la 15 secunde de la lansare, chiar înainte ca motorul principal să înceapă să funcționeze, WaveRider a pierdut controlul și a căzut în ocean.
Testul anterior, care a avut loc anul trecut, a eșuat și el - acceleratorul, care accelerează dispozitivul la viteza necesară pornirii motorului principal, nu a funcționat la timp și nu s-a separat. Cu toate acestea, mai devreme, în 2010, motorul „mașinii” a reușit să funcționeze timp de 200 de secunde (au fost planificate 300), accelerând dispozitivul la cinci viteze de sunet (5M). Durata sa de funcționare a triplat astfel recordul anterior stabilit de laboratorul de zbor hipersonic (HFL) rus/sovietic Kholod. Mai mult decât atât, spre deosebire de dispozitivul casnic, „americanul” a folosit mai degrabă kerosenul de aviație decât hidrogenul ca combustibil.
Eșecul actual va încetini cu siguranță programul hipersonic al SUA, pentru care s-au cheltuit 2 miliarde de dolari. motor (scramjet, aka scramjet).
Potențial, astfel de motoare sunt capabile să accelereze o aeronavă la 17 viteze ale sunetului pe hidrogen și până la 8 cu hidrocarburi. Cu toate acestea, pentru ca acesta să funcționeze, este necesar să se obțină o combustie stabilă a combustibilului într-un flux de aer supersonic - care, potrivit unuia dintre dezvoltatori, nu este mai ușor decât menținerea unui chibrit aprins în epicentrul unui uragan. Cu toate acestea, nu cu mult timp în urmă se credea că acest lucru era imposibil în principiu atunci când se folosea combustibil cu hidrocarburi, iar singurul combustibil potrivit pentru motoarele scramjet era hidrogenul exploziv, care creează dificultăți operaționale și „umflă” volumul rezervoarelor de combustibil datorită densității sale scăzute. . Cu toate acestea, din 2004, Occidentul a efectuat o serie de teste relativ de succes ale aeronavelor - atât hidrogen, cât și „kerosen”.
Care este sensul practic al programului de două miliarde de dolari? Viteza de proiectare a X-51 este de 7M (aproximativ 7 mii km/h pentru o altitudine de 20 km), intervalul de proiectare este de 1600 km, altitudinea de zbor este de aproximativ 25 km. Cu alte cuvinte, în termeni de „rază” corespunde aproximativ rachetei de croazieră BGM-109 Tomohawk (1600 km, cu un focos nuclear - 2500 km) sau o rachetă balistică cu rază medie - de exemplu, retrasă din serviciu sub Pershing -2 Tratatul INF (1770 km). Care sunt avantajele „navei cu undă” în comparație cu „concurenții” săi?
BGM-109 are o viteză subsonică de 880 km/h. Astfel, zborul la intervalul maxim durează aproximativ două ore. În acest timp, racheta poate fi detectată și distrusă, iar ținta se poate mișca. Desigur, o rachetă de croazieră care zboară la o altitudine de aproximativ 60 m deasupra solului și are semnătura radar scăzută doar datorită dimensiunii sale este o țintă foarte problematică pentru apărarea aeriană. Cu toate acestea, sunt cunoscute și exemple de succes de apărare a obiectelor atacate de la Tomahawk - de exemplu, centrul nuclear irakian în timpul Furtunii în Deșert.
O rachetă balistică cu o rază de acțiune de același ordin are o viteză medie de aproximativ 10 mii km/h. Cu toate acestea, în primul rând, „balistica” poate fi detectată din spațiu deja în momentul lansării - o lanternă impresionantă de la motoarele de rachetă funcționale este destul de clar vizibilă. În al doilea rând, altitudinea maximă a traiectoriei rachetelor balistice din acest interval este aproape de 400 km, așa că apar destul de devreme pe radarele de apărare antirachetă. În al treilea rând, „balistica” este o țintă fără manevră, ceea ce face posibilă interceptarea lor chiar și prin rachete antiaeriene care vizează punctul de conducere. În general, odată cu dezvoltarea modernă a sistemelor de apărare antirachetă, o rachetă balistică cu rază medie este o țintă destul de vulnerabilă.
În același timp, rachetele balistice sunt un mijloc de livrare fenomenal de ineficient în ceea ce privește raportul dintre masa de lansare și sarcina utilă. Motoarele de rachete chimice combină tracțiunea enormă cu lăcomia și mai monstruoasă, iar zborurile balistice sunt, în principiu, consumatoare de energie. Drept urmare, de exemplu, Pershing 2, cu o greutate de lansare de 7,4 tone, a transportat un focos de 399 kg. Pentru comparație, Tomahawk transportă aproape aceeași cantitate, cu propria lor greutate de aproximativ o tonă și jumătate.
Acum să-l comparăm cu rachetele hipersonice. Viteza și timpul de zbor sunt în general comparabile cu cele ale lui Pershing 2. În același timp, X-51, în primul rând, folosește un motor cu reacție de aer mult mai economic. În al doilea rând, nu urcă la o înălțime de 400 km, „raportând” prezența sa tuturor radarelor de apărare antirachetă din jur. În al treilea rând, este capabil să manevreze activ. Rețineți că, după cum au arătat testele efectuate în 2007 de suedezul SaabBofors, la viteze de 5,5 M, manevrele complexe sunt posibile chiar și în straturile dense ale atmosferei. Ca urmare, interceptarea unui WaveRider este posibilă numai dacă interceptorul este vizibil superior acestuia din urmă în ceea ce privește viteza și manevrabilitatea. Acum pur și simplu nu există astfel de interceptori.
De asemenea, sistemele de apărare antirachetă existente nu sunt capabile să combată rachetele hipersonice din clasa X-51. Mai mult, chiar și în cazul unei posibilități fundamentale de distrugere, viteza mare a țintei reduce brusc zona de interceptare.
Cu alte cuvinte, WaveRider combină un timp de zbor comparabil cu rachetele balistice cu rază medie de acțiune cu vizibilitate mult mai scăzută și invulnerabilitate virtuală împotriva apărării antiaeriene/apărării antirachetă moderne. Între timp, la un moment dat, conducerea URSS a făcut eforturi mari pentru a elimina Pershing-urile din Europa, schimbându-i cu un număr mult mai mare de rachete proprii cu rază medie de acțiune - și din motive întemeiate. Timpul de zbor de 8-10 minute al rachetelor americane le-a transformat într-un mijloc aproape ideal de dezarmare și de „decapitare” - cei atacați pur și simplu nu au mai avut timp să răspundă. Dacă Kh-51 este adus la producția de serie, situația va fi reprodusă într-o versiune mai proastă - în ciuda faptului că crearea de variante nucleare de „nave cu undă” este destul de posibilă.
În același timp, utilizarea motoarelor scramjet nu se limitează la vehiculele cu rază medie de acțiune. Pe de o parte, conform Grupului Consultativ NATO pentru Cercetare și Dezvoltare Spațială (AGARD), scrumjet-urile pot fi utilizate pe scară largă în sisteme pur tactice cu rază scurtă de acțiune - acestea sunt rachete antitanc (de asemenea, concepute pentru a distruge fortificațiile), -rachete aeriene și obuze de calibru mic (30-40 mm) pentru lovirea țintelor aeriene. O altă direcție probabilă este utilizarea motoarelor scramjet în antirachete concepute pentru a intercepta rachete balistice în partea inițială a traiectoriei.
Pe de altă parte, utilizarea tehnologiilor hipersonice poate duce la apariția unor clase fundamental noi de sisteme strategice. Opțiunea cea mai conservatoare este utilizarea vehiculelor hipersonice ca „focoase de manevră” pentru rachetele balistice tradiționale.
Rețineți că o rachetă balistică cu rază lungă de acțiune este ușor vulnerabilă în secțiunea mijlocie a traiectoriei (deoarece este înconjurată de un număr mare de momeli de lumină, reflectoare dipol și bruiaj), dar este vulnerabilă în secțiunile inițiale și finale ale traiectoriei ( momelile ușoare sunt eliminate de atmosfera însăși, ca urmare focosul este însoțit doar de o cantitate mică de LC grea). În același timp, atât focosul, cât și „suitul” acestuia reprezintă un set de ținte balistice care nu manevrează, ceea ce simplifică radical sarcina de apărare antirachetă. Cu toate acestea, o „mașină” de mare viteză și manevrabilă cu un motor scramjet este practic invulnerabilă la sistemele actuale de apărare antiaeriană și antirachetă. Ca rezultat, combinând un ICBM clasic cu un focos de manevră hipersonic, este posibil să se realizeze o descoperire fiabilă a eșalonului corespunzător de apărare antirachetă.
Cu alte cuvinte, vorbim despre tehnologie care poate revoluționa cu adevărat afacerile militare. Amenințarea hipersonică va deveni inevitabil o realitate în viitorul foarte previzibil.
În primul rând, bineînțeles, ar trebui să decideți, cât costă hipersunetul? Este în general acceptat că viteza hipersonică este o viteză peste 5 Mach, adică mai mult de cinci, și pentru a spune simplu, este o viteză de cinci ori mai mare decât viteza sunetului.
Vă întrebați cât este aceasta în kilometri pe oră? De la 5380 km/h la 6120 km/h in functie de parametrii mediului (pentru un avion - aer), adica de densitatea aerului, care este diferita la diferite altitudini de zbor. Deci, pentru ușurință de percepție, este totuși mai bine să folosiți numerele Mach. Dacă viteza aeronavei depășește 5 Mach, aceasta este viteza hipersonică.
De fapt, de ce exact 5 M? Valoarea 5 a fost aleasă deoarece la această viteză încep să se observe ionizarea fluxului de gaz și alte modificări fizice, care desigur îi afectează proprietățile.
Aceste modificări sunt vizibile în special pentru motor, motoarele convenționale cu turboreacție pur și simplu nu pot funcționa la o astfel de viteză, este nevoie de un motor fundamental diferit, rachetă sau ramjet (deși, de fapt, nu este atât de diferit, pur și simplu îi lipsește un compresor și o turbină, și își îndeplinește funcția în același mod: comprimă aerul la intrare, îl amestecă cu combustibil, îl arde în camera de ardere și primește un curent de jet la ieșire).
De fapt, un motor ramjet este o conductă cu cameră de ardere, foarte simplă și eficientă la viteză mare. Dar un astfel de motor are un mare dezavantaj: are nevoie de o anumită turație inițială pentru a funcționa (nu are propriul compresor, nu există nimic cu care să comprimați aerul la turație mică).
Istoria vitezei
În anii 50 a existat o luptă pentru a atinge viteza sunetului. Când inginerii și oamenii de știință au înțeles cum se comportă un avion la viteze peste viteza sunetului și au învățat cum să creeze aeronave concepute pentru astfel de zboruri, era timpul să trecem mai departe. Fă avioanele să zboare și mai repede.
În 1967, aeronava experimentală americană X-15 a atins o viteză de 6,72 Mach (7274 km/h). Era echipat cu un motor de rachetă și zbura la altitudini de la 81 la 107 km (100 km este linia Karman, limita convențională a atmosferei și spațiului). Prin urmare, este mai corect să numiți X-15 nu un avion, ci un avion rachetă. Nu putea decola singur, avea nevoie de un avion de propulsie. Dar totuși, a fost un zbor hipersonic. Mai mult, X-15 a zburat din 1962 până în 1968, iar 7 zboruri pe X-15 au fost efectuate de același Neil Armstrong.
Merită să înțelegem că zborurile în afara atmosferei, oricât de rapide ar fi, nu pot fi considerate corect hipersonice, deoarece densitatea mediului în care se deplasează aeronava este foarte scăzută. Efectele inerente zborului supersonic sau hipersonic pur și simplu nu vor exista.
În 1965, YF-12 (prototipul celebrului SR-71) a atins o viteză de 3.331,5 km/h, iar în 1976 SR-71 de producție însuși a ajuns la 3.529,6 km/h. Acesta este „doar” 3,2–3,3 M. Departe de a fi hipersonic, dar pentru zborurile cu această viteză în atmosferă a fost necesar să se dezvolte motoare speciale care să funcționeze în modul normal la viteze mici și în modul ramjet la viteze mari și pentru piloți - sisteme speciale de susținere a vieții (costume și sisteme de răcire), deoarece avionul se încălzea prea mult. Ulterior, aceste costume spațiale au fost folosite pentru proiectul Shuttle. Multă vreme, SR-71 a fost cea mai rapidă aeronavă din lume (a încetat să zboare în 1999).
Mig-25R sovietic putea atinge teoretic o viteză de 3,2 Mach, dar viteza operațională a fost limitată la 2,83 Mach.
În aceiași ani 60, în SUA și URSS au existat proiecte spațiale X-20 „Dyna Soar” și, respectiv, „Spiral”. Pentru Spiral, inițial a fost planificat să se folosească o aeronavă hipersonică, apoi una supersonică, iar apoi proiectul a fost complet închis. Aceeași soartă a suferit și proiectul american.
În general, proiectele de aeronave hipersonice din acea vreme erau legate de zboruri în afara atmosferei. Nu poate fi altfel la altitudini „joase” densitatea și, în consecință, rezistența sunt prea mari, ceea ce duce la mulți factori negativi care nu puteau fi depășiți în acel moment.
Timpul prezent
Armata, ca de obicei, este în spatele tuturor cercetărilor promițătoare. În cazul vitezelor hipersonice, se întâmplă și acest lucru. În prezent, cercetările se desfășoară în principal în direcția navelor spațiale, a rachetelor de croazieră hipersonice și a așa-numitelor focoase hipersonice. Acum vorbim de hipersunet „adevărat”, zboruri în atmosferă. Vă rugăm să rețineți că munca la viteze hipersonice a fost într-o fază activă în anii 60-70, apoi toate proiectele au fost închise. Au revenit la viteze de peste 5 M abia la începutul anilor 2000. Când tehnologia a făcut posibilă crearea de motoare ramjet eficiente pentru zboruri hipersonice.
În 2001, un vehicul aerian fără pilot cu motor ramjet a făcut primul zbor.
Boeing X-43. Deja în 2014, a accelerat până la o viteză de 9,6 M (11.200 km/h). Deși X-43 a fost proiectat pentru viteze de 7 ori mai mari decât viteza sunetului. Mai mult, recordul nu a fost stabilit în spațiu, ci la o altitudine de doar 33.500 de metri.
X-43 din fotografie arată ca un mic triunghi negru atașat la o rachetă de rapel.
În 2009, au început testarea unui motor ramjet pentru racheta de croazieră Boeing X-51A Waverider. În 2013, X-51A a accelerat la o viteză hipersonică - 5,1 M la o altitudine de 21.000 de metri.
Proiecte similare sunt realizate în diferite etape de alte țări: Germania (SHEFEX), Marea Britanie (Skylon), Rusia (Cold and Needle), China (WU-14) și chiar India (Brahmos), Australia (ScramSpace) și Brazilia. (14-X).
Proiectul GLL-31 „Rece”
Un proiect interesant al unei aeronave pentru zborul cu viteze hipersonice în atmosferă, American Falcon HTV-2, este considerat un eșec. Se presupune că șoimul a reușit să accelereze la o viteză enormă pentru atmosferă - 23 Mach, dar numai de presupus, deoarece toate dispozitivele experimentale pur și simplu s-au stins.
Toate aeronavele enumerate (cu excepția Skylon) nu pot atinge în mod independent viteza necesară pentru funcționarea unui motor ramjet și utilizează acceleratoare diferite. Dar Skylon este încă doar un proiect care nu a făcut încă un singur zbor de testare.
Viitorul îndepărtat al hipersunetului
Există și proiecte civile de avioane hipersonice pentru transportul de pasageri. Acestea sunt SpaceLiner-ul european cu un singur tip de motor și ZEHST care ar trebui să folosească până la 3 tipuri de motor în diferite moduri de zbor. Și alte țări lucrează la proiectele lor.
Se presupune că astfel de nave vor putea transporta pasageri de la Londra la New York în doar o oră. Vom putea zbura astfel de aeronave nu mai devreme de anii 40 și 50 ai secolului XXI. Între timp, vitezele hipersonice rămân domeniul militar sau al navelor spațiale.
