Гиперзвуковые приложения

Технический перевод статьи журнала ROOM, №1 июль 2014

Марк Дж. Льюис (Mark J. Lewis), Институт военных исследований

Утром 1 мая 2013 года пятидесятилетний бомбардировщик Б-52 взлетел с авиабазы Эдвардс, расположенной на плоскогорье в Калифорнии, и взял курс на запад, к Тихому океану. Под 25-метровым левым крылом самолёта, надёжно укрытый, находился беспилотный летательный аппарат Waverider длиной 7,6 метра, зарегистрированный как X-51A. Это был четвёртый и последний полёт в программе испытаний, составленной сотрудниками Научно-исследовательской лаборатории ВВС США, чтобы установить пределы так называемого «гиперзвукового» ​​полёта со скоростью, пятикратно превышающей скорость звука.

Летательные аппараты серии X-51 были сконструированы в корпорации Boeing, каждый оснащён уникальным двигателем названным ГПВР (гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель), который, в свою очередь, был разработан компанией Rocketdyne Corporation¹, работающий в общем и целом на традиционном реактивном топливе. ГПВРД давно уже рассматривался в качестве ключевого элемента для обеспечения устойчивого гиперзвукового полёта в атмосфере; определённые успешные шаги в процессе его разработки уже были зафиксированы в испытаниях на полигоне и в воздухе, но до X-51, почти за 50 лет исследований и экспериментов, так и не довелось создать практически применимую и проверенную конструкцию.

Когда бомбардировщик достиг назначенного пункта вдали от побережья Калифорнии, X-51A был разблокирован и выведен из крыльевого пилона. Твёрдотопливный ракетный двигатель от стартовой ракеты армии США произвёл зажигание и вывел тестовый аппарат на число Маха 4,8 (в 4,8 раза выше скорости звука), затем отделился. ГПВРД разогнал X-51A за 210 секунд до конечной скорости числа Маха 5,1, весь запас топлива был исчерпан, а X-51A завершил выполнение своей программы в водах Тихого океана.

X-51 демонстрирует последние достижения в аэрокосмических исследованиях, в которых высокоточное цифровое моделирование сочетается с выполнением наземных и лётных испытаний. Как один из многочисленной серии X-аппаратов, X-51 создан в результате эволюции своих предшественников, которые показывали серьёзные результаты в высокоскоростных полётах, включая X-15 эпохи 1960-х годов, запуски австралийских HyShot и X-43, работающие на водороде, курируемые НАСА.

И хотя каждый из этих более ранних продуктов внёс важный вклад в наше понимание техники высокоскоростного полёта, X-51, вне всякого сомнения, показал, что летательный аппарат, способный достичь высокого показателя числа Маха, может быть приведён в действие двигателем с большим ресурсом, который сжигает реактивное топливо на нефтяной основе и одновременно устойчив к интенсивному выделению тепла и экстремальной аэродинамической нагрузке, которые  являются результатом устойчивого гиперзвукового полёта.

Термин «гиперзвуковой» является несколько условным, он, как правило, применяется к потокам, которые в пять или шесть раз быстрее звука, когда летательный аппарат генерирует очень сильные ударные волны по мере своего прохождения через атмосферу, когда трение обшивки даёт температуры, которые являются достаточно высокими, чтобы производить химические изменения в окружающем воздухе.

Тем не менее нет никаких резких пограничных изменений в параметрах потоков, которые образуются, когда летательный аппарат входит в гиперзвуковое поле, – что находится в сильном контрасте с переходом, который имеет место быть, когда корабль проходит через 1 Маха, скорость звука, когда наблюдается изменение простейших параметров воздуха, движущегося рядом с судном.

Некоторые проблемы гиперзвукового полёта связаны с высокими температурами и аэродинамическими силами. Температура поверхности и сопутствующие скорости нагрева, особенно на передних кромках, в состоянии уничтожить всё, кроме самых надёжных материалов.

Ударные волны, производимые на летательном средстве, реализуемые как внезапные изменения давления и температуры, могут существенно увеличить аэродинамическое сопротивление и нагрев. Есть также значительные пробелы в наших базовых знаниях в области высокоскоростных потоков, например, мы не знаем, в какой момент воздух, движущийся мимо гиперзвукового летательного средства, перейдёт от ровного ламинарного состоянии к турбулентности с соответствующим увеличением аэродинамического сопротивления и нагрева. Моделирование условий гиперзвукового полёта с допустимой точностью на полигоне требует наличия испытательного оборудования, которое способно функционировать в экстремальных условиях, и при этом, в лучшем случае, будет выдержана лишь малая толика всех характеристик гиперзвукового полёта.

Точное цифровое моделирование гиперзвуковых потоков представляется нам также весьма сложной задачей из-за экстремальных временных масштабов; добавим к этому проблемы неравновесной химии и необходимость анализировать тонкие структуры системы скачков уплотнения, смещая границы современной вычислительной гидродинамики.

Традиционные самолётные двигатели не работают на умеренных сверхзвуковых скоростях, соответственно, для гиперзвукового полёта требуются либо ракетные двигатели, либо современные воздушно-реактивного цикла, или некая комбинация из двух.

Воздушно-реактивные двигатели имеют преимущества перед ракетными в полёте в пределах атмосферы, так как окислитель можно накапливать, а не перевозить на борту в топливном баке. Воздушно-реактивные двигатели могут продлить дальность полёта с одним баком топлива или нести больше полезной нагрузки, рассчитанной на общий вес, за минусом массы окислителя и баков под него.

Воздушно-реактивный двигатель, с точки зрения большого числа Маха, представляет собой особую проблему. Гиперзвуковой двигатель ГПВРД функционирует, поддерживая скорость воздуха, который проходит через двигатель, на значении, близком к скорости полёта². Временные рамки таким образом приобретают большое значение: двигатели, которые подают питание летательному аппарату X-51 заглатывают воздух через входное отверстие, нагнетают и перемешивают топливо и воздух, сжигают эту топливно-воздушную комбинацию, выводя продукт из сопла в течение одной тысячной доли секунды.

По закону физики об ударной волне двигатель на гиперзвуковом летательном средстве, на самом деле, должен быть разработан как составная часть самого летательного средства в одном интегрированном пакете, поставив, таким образом, перед нами одну из самых сложных задач по проектированию и оптимизации за всю историю авиационно-космической техники³. Несмотря демонстрацию НАСА автоматизированной системы управления полётом для X-43 и X-51, управление гиперзвуковым летательным средством всё ещё является задачей повышенной сложности.

Гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель не может работать на более низких скоростях, а следовательно, должен работать в паре с другими движительными установками, такими как ракета или высокооборотный газотурбинный двигатель, чтобы перенести летательный аппарат от земли до гиперзвукового полёта.

Гиперзвуковой летательный аппарат может взлетать на турбинах, затем на высоких скоростях подключить ГПВРД. Этот процесс перехода представляет собой особую проблему, поскольку весьма сложно растянуть верхний предел скорости турбины с перекрытием нижнего предела скорости ГПВРД. Совершенно иной подход – это система ожижения атмосферного воздуха, в которой используется криогенное топливо, чтобы сконденсировать забранный воздух с теплообменником, который затем сгорает в ракетном двигателе.

Британская компания Reaction Engines является новатором в этой технологии, преимущество которой заключается в преобразовании в общем и целом обычного ракетного двигателя в воздушно-реактивный. В принципе, система ожижения атмосферного воздуха может работать на протяжении всего пути с земли на орбиту.

Концепция гиперзвукового полёта не новая. Можно сказать, что техногенные объекты начали летать на гиперзвуковых скоростях с 24 февраля 1949 года, когда американская двухступенчатая ракета Bumper, собранная из трофейного немецкого Фау-2, с военным ракетным зондом в качестве верхней ступени достигла скорости 2,3 километра в секунду.

Bumper взлетела менее чем десятилетие спустя, после того как немецкие учёные Евгений Сэнгер и Ирен Бредт провели теоретические исследования гиперзвуковых полётов летательных аппаратов, способных пересечь океан ⁴. С началом космической эры гиперзвуковой полёт получил своё практическое применение, но для возвращения космического корабля с орбиты.

Проблема нагрева поверхности во время спуска считается одной из основных проблем в конструкции гиперзвукового летательного аппарата. Исследования, проводимые в Эймской лаборатории Университета штата Айдахо, Национального консультативного совета по вопросам воздухоплавания США (NACA), под руководством H. Джулиан Аллен и A. Дж. Эггерса-младшего сосредоточены на использовании сильно затупленных геометрических форм для гиперзвукового входа, которые стали стандартом для проектирования космических аппаратов. Эти тупые формы имеют большое лобовое сопротивление и таким образом быстро уменьшают скорость, что означает, что они не подходят для летательного средства, предназначенного для полётов на большие расстояния через атмосферу.

В отличие от затупленных гиперзвуковых форм, заострённые с большим удлинением формы являются наиболее пригодными для объектов, которым нужно значительно увеличить скорость для прохождения сквозь или для полёта в атмосфере на высоких скоростях. Такие заострённые конфигурации, в том числе как и у X-51A, дают хороший набор высоты с относительно низким сопротивлением. При гиперзвуковых скоростях острые передние кромки и острые носы также получают хорошую порцию тепла.

Гиперзвуковая форма с крылом малого удлинения была воплощена в жизнь к 1960-ым годам, в эпоху самолётов с ракетным двигателем X-15, которые в период между 1959 и 1968 году взлетали 199 раз. Как и в случае с X-51, каждый из трёх пилотируемых X-15 были доставлены на высоте и выведены из-под крыла бомбардировщика B- 52.

В отличие от X-51 многоразовый X-15 набирал ускорение от собственного ракетного двигателя на скорости почти в семь раз больше скорости звука, а затем двигался по инерции до посадки на авиабазе Эдвардс. Ближе к завершению программы Х-15 появился интерес к дополнению ракет ГПВРД, установленных на пилоне.

Программа X-15 конечном счёте была завершена до того, как взлетел воздушно-реактивный двигатель, но работы по разработке таких двигателей, которые на самом деле начались в конце 1950-х, были продолжены в рамках Национальной программы разработки воздушно-космического самолёта в 1980-х годах. В июле 2002 года Научно-исследовательская группа из Университета Квинсленд показала свой продукт, который принято считать первым ГПВРД с последующими двумя успешными полётами X-43, курируемыми НАСА, которые доказали, что тяга ГПВРД может быть больше, чем сопротивление судна.

Опыт, накопленный в Австралии, был применён в совместной австралийско-американской Международной программе по изучению практики гиперзвуковых полётов (HIFiRE) – совместный проект, который заключался в серии полётов ракетных зондов, предназначенных для изучения различных аспектов гиперзвуковой аэродинамики, реактивного движения и конструкции летательного аппарата.

Применение гиперзвуковой технологии можно разделить на три основные категории: вооружение, воздушные и космические суда. Высокоскоростные средства поражения могут включать гиперзвуковые крылатые ракеты, способные преодолевать несколько сотен километров в считанные минуты с ГПВРД; или безмоторные планирующие средства с увеличенной мощностью взрыва, которые достигают сверхзвуковой скорости на ракетном ускорителе, а затем планируют на высокой скорости до нанесения высокоточного удара.

Гиперзвуковые летательные аппараты могли бы оказывать услуги по кругосветному перелёту, пересекая планету всего за несколько часов. Несколько менее амбициозное, но более реальное применение: гиперзвуковые воздушно-реактивные двигатели можно приспособить для тактической авиации с малой дальностью полёта. Например, самолёт-разведчик нового поколения может летать при Мах-6, заменив Стелс, будучи неуязвимым при такой скорости.

Гиперзвуковая технология делает реальными полёты на орбиту летательных средств с воздушно-реактивными двигателями вместо ракет, функционирующих больше как самолёты, чем дорогостоящие ракетоносители, используемые сегодня. Такие летательные средства будут иметь большую операционную гибкость, повышенную безопасность и, возможно, затраты более низкие по сравнению с традиционными пусковыми системами⁵.           

Ричард Хейллион, историк развития Космоса, отметил, что человечество вступило в 19 век со скоростью конной тяги, в 20-й век со скоростью автомобиля и в 21-й век со скоростью реактивного самолёта. Каждый из них представляет собой порядок увеличения характеристической скорости коммерческой деятельности человека. Если мы и впредь будем опираться на первоначальный прогресс, достигнутый такими программами, как X-51, человечество может войти в 22-й век на гиперзвуковых скоростях.

***

Технический перевод статьи журнала ROOM

Оригинал статьи можно прочитать по этой ссылке
Astronautics X-51A Waverider, hypersonics, and the potential of airbreathing engines
 журнал ROOM №1 июль 2014