Гиперзвук. Сколько это и когда мы полетим? Гиперзвуковая скорость

Которое определяется следующим образом: , где u - скорость движения потока или тела, - скорость звука в среде. Звуковая скорость определяется как , где - показатель адиабаты среды (для идеального n-атомного газа, молекула которого обладает степенями свободы он равен ). Здесь - полное число степеней свободы молекулы. При этом, количество поступательных степеней свободы . Для линейной молекулы количество вращательных степеней свободы , количество колебательных степеней свободы (если есть) . Для всех других молекул , .

При движении в среде со сверхзвуковой скоростью тело обязательно создаёт за собой звуковую волну. При равномерном прямолинейном движении фронт звуковой волны имеет конусообразную форму, с вершиной в движущемся теле. Излучение звуковой волны обуславливает дополнительную потерю энергии движущимся телом (помимо потери энергии вследствие трения и прочих сил).

Аналогичные эффекты испускания волн движущимися телами характерны для всех физических явлений волновой природы, например: черенковское излучение , волна, создаваемая судами на поверхности воды.

Классификация скоростей в атмосфере

При обычных условиях в атмосфере скорость звука составляет примерно 331 /сек . Более высокие скорости иногда выражаются в числах Маха и соответствуют сверхзвуковым скоростям, при этом гиперзвуковая скорость является частью этого диапазона. НАСА определяет «быстрый» гиперзвук в диапазоне скоростей 10-25 М , где верхний предел соответствует первой космической скорости . Скорости выше считаются не гиперзвуковой скоростью, а «скоростью возврата » космических аппаратов на Землю .

Сравнение режимов

Сверхзвуковые Объекты

Космические корабли и их носители, а также большинство современных истребителей разгоняются до сверхзвуковых скоростей. Также было разработано несколько пассажирских сверхзвуковых самолетов - Ту-144 , Конкорд , Аерион. Скорость вылета пули большинства образцов современного огнестрельного оружия больше М1.

См. также

Примечания

Wikimedia Foundation . 2010 .

• Электрическое напряжение
• Число Маха

Смотреть что такое "Сверхзвуковая скорость" в других словарях:

СВЕРХЗВУКОВАЯ СКОРОСТЬ - скорость движения среды или тела в среде, превышающая скорость звука в данной среде. Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983 … Физическая энциклопедия

СВЕРХЗВУКОВАЯ СКОРОСТЬ - СВЕРХЗВУКОВАЯ СКОРОСТЬ, скорость, превышающая локальную скорость звука. В сухом воздухе при температуре 0 °С эта скорость составляет 330 м/с или 1188 км/ч. Ее величина обычно выражается числом МАХА, которое представляет собой отношение скорости… … Научно-технический энциклопедический словарь

Сверхзвуковая скорость - 1) скорость V газа, превышающая местную скорость звука a: V > a (M > 1, M Маха число). 2) С. с. полёта скорость летательного аппарата, превышающая скорость звука в невозмущенном потоке (часто за полёт со С. с. понимают полёт со скоростью,… … Энциклопедия техники

Сверхзвуковая скорость - скорость перемещения тела (газового потока), превышающая скорость распространения звука в идентичных условиях. Характеризуется значениями Маха числа (М); имеет значения М от 1 до 5. Скорость, превышающая скорость звука более чем в 5 раз… … Морской словарь

СВЕРХЗВУКОВАЯ СКОРОСТЬ - скорость перемещения тела (газового потока), превышающая скорость распространения звука в идентичных условиях (скорость звука в воздухе при 0°С равна 331 м/с). Характеризуется числом Маха М (), имеющим значения от 1 до 5. Скорость, превышающая М… … Большая политехническая энциклопедия

сверхзвуковая скорость - Скорость газа, превышающая местную скорость звука, . [ГОСТ 23281 78] Тематики аэродинамика летательных аппаратов Обобщающие термины характеристики течения газа EN supersonic velocity … Справочник технического переводчика

сверхзвуковая скорость - viršgarsinis greitis statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Skraidymo aparato greitis, viršijantis garso greitį terpėje arba aplinkoje, kurioje jis juda. atitikmenys: angl. hypersonic velocity; supersonic velocity vok.… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

сверхзвуковая скорость - viršgarsinis greitis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. hypersonic velocity; supersonic velocity vok. Überschallgeschwindigkeit, f; Ultraschallgeschwindigkeit, f rus. сверхзвуковая скорость, f pranc. vitesse hypersonique, f … Fizikos terminų žodynas

сверхзвуковая скорость - viršgarsinis greitis statusas T sritis apsauga nuo naikinimo priemonių apibrėžtis Greitis, viršijantis garso greitį. atitikmenys: angl. supersonic speed; velocity rus. сверхзвуковая скорость … Apsaugos nuo naikinimo priemonių enciklopedinis žodynas

Создание и разработка боевых гиперзвуковых летательных аппаратов — это один из самых больших секретов не только в России, но и в США, Китае и других странах мира. Сведения о них относятся к категории «совершенно секретно» — top secret. В эксклюзивном интервью «Известиям» легендарный конструктор ракетной и космической техники Герберт Ефремов, посвятивший более 30 лет созданию гиперзвуковой техники, рассказал, что такое гиперзвуковые аппараты и с какими сложностями приходится сталкиваться при их разработке.

— Герберт Александрович, сейчас много говорят о создании гиперзвуковых летательных аппаратов, но большая часть информации о них закрыта для широкой общественности...

— Начнем с того, что изделия, развивающие гиперзвуковую скорость, созданы уже давно. К примеру, это обычные головки межконтинентальных баллистических ракет. Входя в атмосферу Земли, они развивают гиперзвуковую скорость. Но они неуправляемые и летят по определенной траектории. И их перехваты средствами противоракетной обороны (ПРО) продемонстрированы не раз.

Еще как пример я приведу нашу стратегическую крылатую ракету «Метеорит», которая когда-то летела с сумасшедшей скоростью 3 Маха — около 1000 м/с. Буквально на грани гиперзвука (гиперзвуковые скорости начинаются с 4,5 Маха. — «Известия»). Но главная задача современных гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЗЛА) не просто быстро прилететь куда-то, а выполнить боевую задачу с высокой эффективностью в условиях сильного противодействия противника. Например, у американцев одних эсминцев типа «Арли Берк» с противоракетами 65 штук в море. А еще есть 22 противоракетных крейсера типа «Тикондерога», 11 авианосцев — на каждом из которых базируется до сотни летательных аппаратов, способных создать практически непробиваемую систему противоракетной обороны.

— Вы хотите сказать, что скорость сама по себе ничего не решает?

— Грубо говоря, гиперзвуковая скорость — это 2 км/с. Чтобы преодолеть 30 км, надо лететь 15 секунд. На конечном же участке траектории, когда гиперзвуковой летательный аппарат приближается к объекту поражения, обязательно будут развернуты средства противоракетной и противовоздушной обороны противника, которые ГЗЛА обнаружат. А чтобы изготовиться современным системам ПВО и ПРО, если они развернуты на позициях, требуются считаные секунды. Поэтому для эффективного боевого применения ГЗЛА одной скоростью не обойдешься никак, если ты не обеспечил радиоэлектронную незаметность и непоражаемость для систем ПВО/ПРО на конечном участке полета. Здесь будет играть роль и скорость, и возможности радиотехнической защиты аппарата собственными станциями радиотехнических помех. Всё в комплексе.

— Вы говорите, что должна быть не только скорость — изделие должно быть управляемым, чтобы достигнуть цели. Расскажите о возможности управления аппаратом в гиперзвуковом потоке.

— Все гиперзвуковые аппараты летят в плазме. И боевые ядерные головки летят в плазме, и всё, что вышло за скорости 4 Маха, тем более 6. Вокруг образуется ионизированное облако, а не просто поток с завихрениями: молекулы разбиты еще на заряженные частицы. Ионизация влияет на связь, на прохождение радиоволн. Нужно, чтобы системы управления и навигации ГЗЛА на этих скоростях полета пробивали эту плазму.

На «Метеорите» мы должны были обязательно видеть земную поверхность радиолокатором. Навигацию обеспечивали сравнением локационных картинок с борта ракеты с заложенным в систему видеоэталоном. Иначе было невозможно. «Калибры» и прочие крылатые ракеты могут летать так: радиовысотомером сделал разведку рельефа местности — тут горка, тут река, тут долина. Но это возможно, когда летишь на высоте сотни метров. А когда поднимаешься на высоту 25 км, там никаких пригорков радиовысотомером не различишь. Поэтому мы находили на местности определенные участки, сравнивали с тем, что записано в видеоэталоне, и определяли смещение ракеты влево или вправо, вперед, назад и на сколько.

— Во многих учебниках для «чайников» гиперзвуковой полет в атмосфере сравнивается со скольжением по наждачной бумаге из-за очень высокого сопротивления. Насколько верно такое утверждение?

— Немного неточно. На гиперзвуке начинаются всякие турбулентные обтекания, завихрения и тряска аппарата. Меняются режимы теплонапряженности в зависимости от того, ламинарный (гладкий) поток на поверхности или со срывами. Трудностей очень много. Например, резко нарастает тепловая нагрузка. Если ты летишь со скоростью 3 Маха, у тебя нагрев обшивки ГЗЛА где-то 150 градусов в атмосфере в зависимости от высоты. Чем выше высота полета, тем меньше нагрев. Но при этом если ты летишь со скоростью в два раза выше, нагрев будет гораздо больший. Поэтому нужно применять новые материалы.

— А что можно привести в качестве примера таких материалов?

— Различные углеродные материалы. На ядерных боеголовках, которые стоят на межконтинентальных «сотках» (баллистические ракеты УР-100 разработки НПО машиностроения), применяются даже стеклопластики. При гиперзвуке температура — многие тысячи градусов. А сталь держит всего 1200 градусов Цельсия. Это же крохи.

Гиперзвуковые температуры уносят так называемый «жертвенный слой» (слой покрытия, который расходуется во время полета летательного аппарата. — «Известия»). Поэтому оболочка ядерных боеголовок рассчитана так, что большая ее часть будет «съедена» гиперзвуком, а внутренняя начинка сохранится. Но у ГЗЛА не может быть «жертвенного слоя». Если ты летишь на управляемом изделии, то должен сохранить аэродинамическую форму. Нельзя «затуплять» изделие, чтобы у него обгорали носок и кромки крыльев, и т.д. Это, кстати, было сделано на американских «Шаттлах», и на нашем «Буране». Там в качестве теплозащиты использовались графитовые материалы.

— Правильно ли пишут в научно-популярной литературе, что именно у гиперзвукового атмосферного аппарата конструкция должна быть как единое монолитное твердое тело?

— Не обязательно. Они могут состоять из отсеков и разных элементов.

— То есть возможна классическая схема строения ракеты?

— Конечно. Подбирай материалы, заказывай новые разработки, если надо, проверяй, отрабатывай на стендах, в полете, поправляй, если что-то получилось не так. Это еще и нужно уметь замерить сотнями телеметрических датчиков невероятной сложности.

— Какой двигатель лучше — твердотопливный или жидкостный для гиперзвукового аппарата?

— Твердотопливный здесь вообще не годится, потому что он может разогнать, но лететь долго с ним невозможно. Такие двигатели у баллистических ракет типа «Булава», «Тополь». В случае с ГЗЛА это неприемлемо. На нашей ракете «Яхонт» (противокорабельная крылатая ракета, входит в состав комплекса «Бастион». — «Известия») твердотопливный только стартовый ускоритель. Дальше она летит на жидкостном прямоточном воздушно-реактивном двигателе.

Есть попытки сделать прямоточный двигатель с внутренним содержанием твердого топлива, которое размазано по камере сгорания. Но его тоже не хватит на большие дальности.

Для жидкого топлива можно сделать бак меньше, любой формы. Один из «Метеоритов» летал с баками в крыльях. Он был испытан, потому что мы должны были добиться дальности 4-4,5 тыс. км. И летел он на воздушно-реактивном двигателе, работавшем на жидком топливе.

— А в чем отличие воздушно-реактивного двигателя от жидкостного реактивного двигателя?

— Жидкостный реактивный двигатель содержит окислитель и горючее в разных баках, которые смешиваются в камере сгорания. Воздушно-реактивный двигатель питается одним горючим: керосином, децилином или бицилином. Окислитель — набегающий кислород воздуха. Бицилин (топливо, получаемое из вакуумного газойля с применением гидрогенизационных процессов. — «Известия») как раз и был разработан по нашему заказу для «Метеорита». Это жидкое горючее имеет очень большую плотность, позволяющую делать бак меньшего объема.

— Известны фотографии гиперзвуковых летательных аппаратов именно с реактивным двигателем. Они все имеют интересную форму: не обтекаемую, а достаточно угловатую и квадратную. Почему?

— Вы, наверное, говорите о Х-90, или, как ее называют на Западе, AS-X-21 Koala (первый советский экпериментальный ГЗЛА. — «Известия»). Ну да, это неуклюжий медведь. Впереди стоят так называемые «доски», «клинья» (элементы конструкции с острыми углами, выступами. — «Известия»). Всё для того, чтобы поток воздуха, попадающий в двигатель, сделать приемлемым для сгорания и нормального горения топлива. Для этого мы создаем так называемые скачки уплотнения (резкое повышение давления, плотности, температуры газа и уменьшение его скорости при встрече сверхзвукового потока с каким-либо препятствием. — «Известия»). Скачки образуются как раз на «досках» и «клиньях» — тех элементах конструкции, которые гасят скорость воздуха.

По пути к двигателю может быть второй скачок уплотнения, третий. Весь нюанс в том, что в камеру сгорания воздух не должен заходить с той же скоростью, с которой летит ГЗЛА. Ее надо обязательно снизить. И очень даже сильно. Желательно до дозвуковых значений, для которых всё отработано, проверено и испытано. Но это именно та задача, которую создатели ГЗЛА пытаются решить и не решили за 65 лет.

Как только ты заскакиваешь за 4,5 Маха, в таком скоростном движении в двигатели очень быстро проскакивают воздушные частицы. А ты должен «свести» друг с другом распыленное топливо и окислитель — атмосферный кислород. Это взаимодействие должно быть с высокой полнотой сгорания топлива. Взаимодействие не должно срываться какими-то колебаниями, лишним дуновением внутри. Как это сделать, не придумал еще никто.

— А возможно ли создать ГЗЛА для гражданских нужд, для перевозки пассажиров и грузов?

— Возможно. На одном из парижских авиасалонов был показан самолет, разработанный французами совместно с англичанами. Турбореактивный двигатель поднимает его на высоту, а затем машина разгоняется примерно до 2 Махов. Затем открываются прямоточные воздушно-реактивные двигатели, которые выводят самолет на скорость 3,5 или 4 Маха. И дальше он летит на высоте километров 30 куда-нибудь из Нью-Йорка в Японию. Перед посадкой включается обратный режим: машина снижается, переходит на ТРД, как обычный самолет, входит в атмосферу и садится. В качестве топлива рассматривается водород, как наиболее калорийное вещество.

— В настоящее время наиболее активно разработку гиперзвуковых летательных аппаратов ведут Россия и США. Можете ли вы оценить успехи наших оппонентов?

— Что касается оценок, могу сказать — пусть ребята работают. За 65 лет ничего у них толком так и не сделано. На скоростях от 4,5 до 6 Махов нет ни одного реально сделанного ГЗЛА.

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.


Мне задают вопросы про испытания новой ракеты "Авангард" с "гиперзвуковыми" (называется скорость полета в атмосфере 20-27 Махов, т.е. скоростей звука) боевыми блоками.

Скажу честно - для серьезного комментария инфы не хватает, а та, что есть - крайне противоречива. Но кое-что сказать можно.

Начну с определения понятия "гиперзвуковой". В авиации гиперзвуковой скоростью считается скорость уже 5-6 (разумеется, и более) скоростей звука для данной высоты. Почему для данной? Потому что скорость звука в воздуха зависит от его давления, а давление падает с высотой. Соответственно, на разных высотах скорость звука разная (кому интересно - погуглите стандарт МСА - международной стандартной атмосферы).

В общем случае гиперзвуковой скоростью обладает любой аппарат, летящий в атмосфере со скоростью более М>5...6
Например, спускаемый аппарат космического корабля "Союз" при возврате из космоса входит в атмосферу с первой космической скоростью (примерно М=23...24), а любая ракета-носитель, стартуя с земной поверхности и разгоняясь до первой космической скорости, тоже с какого-то момента летит на гиперзвуковой скорости (пока не выйдет за пределы атмосферы). Но - внимание! Назвать из гиперзвуковыми летательными аппаратами нельзя! И именно здесь начинается мухлеж, который мы слышим из официальных источников при бахвальстве нашим новым оружием: сначала "Кинжалом", теперь "Авангардом". Потому что не любой аппарат, летящий на гиперзвуковой скорости, является "гиперзвуковым летательным аппаратом". Например, боеголовки баллистических ракет, летающие с середины прошлого века и входящие в атмосферу на гиперзвуке, не являются гиперзвуковыми летательными аппаратами (ГЛА).

В авиации есть четкое определение ГЛА - это летательный аппарат, какое-то время осуществляющий УСТАНОВИВШИЙСЯ гиперзвуковой полет в атмосфере. Установившийся - это когда сила тяги двигателя компенсирует сопротивления воздуха (обеспечивается постоянство гиперзвуковой скорости), а сила тяжести компенсируется аэродинамической подъемной силой (постоянство высоты полета). При этом маневрирование (изменение направления полета) может обеспечиваться отклонением аэродинамических поверхностей (рулей) или изменением вектора тяги двигателя.

Двигатель может быть ракетным (жидкостным или твердотопливным) или воздушно-реактивным (например гиперзвуковым прямоточным воздушно-реактивным).

Ракетный двигатель работает очень непродолжительное время, измеряемое секундами (десятками). Поэтому аппарат с ракетным двигателем сначала набирает скорость, а потом, после выработки топлива и выключения двигателя, летит по инерции, тормозясь сопротивлением встречного потока воздуха. Именно поэтому ракета, часть времени летя со сверхзвуковой скоростью, НЕ ЯВЛЯЕТСЯ гиперзвуковым летательным аппаратом. Соответственно, "Кинжал" является аэробаллистической ракетой "Искандер" воздушного базирования, но не гиперзвуковым летательным аппаратом. Как те же "Сатана" или "Искандер".

Установившийся гиперзвуковой полет может обеспечить только гиперзвуковой воздушно-реактивный двигатель (ГПВРД), выгодно отличающийся от ракетного тем, что если для него топливо (горючее и окислитель) запасаются на борту летательного аппарата и сжигаются за десятки секунд, то у гиперзвукового аппарата с ГПВРД на борту только горючее, а окислитель (кислород) берется из окружающей атмосферы. Именно это обеспечивает на порядки более высокую эффективность (экономичность) ГПВРД, и время его работы десятки минут и более.

Суммируя сказанное: гиперзвуковой летательный аппарат - это аппарат с гиперзвуковой КРЕЙСЕРСКОЙ скоростью, выполняющий УСТАНОВИВШИЙСЯ полет на гиперзвуковой скорости, как правило - за счет гиперзвукового воздушно-реактивного двигателя. И из имеющейся информации, ни "Авангард", ни его планирующие боевые блоки не являются гиперзвуковыми летательными аппаратами, а всего лишь - маневрирующими боеголовками с увеличенным атмосферным участком полета. И судя по всему - летящими по инерции. Напомню, что первые пуски прообразов таких боевых блоков были осуществлены в СССР еще в 1960-х годах (например, "ракетопланы" МП-1 Владимира Челомея).

Что же касается собственно создания по-настоящему гиперзвуковых летательных аппаратов с ГПВРД, то это сложнейшая инженерно-техническая задача, решение которой в "Авангарде" и рядом не стоит. И насколько это вообще "по зубам" современной России - баааальшой вопрос... Это и у американцев пока не получается, а мы от них в этом плане сильно в заднице, хотя в СССР были хорошие наработки в рамках темы "Холод".

Почему "Холод"? Да потому что топливом для гиперзвуковых летательных аппаратом может быть только жидкий водород или сжиженный газ, теплоемкость которых помогает охлаждать аппарат и гиперзвуковой двигатель в полете.
Еще два момента, требующие пояснений, судя по комментам на пуск "Авангарда".

Первый - температура лобовой ("наветренной") части боевого блока в 2000 град. С при температуре во фронте ударной волны в 20000 градусов - вполне реально. Достаточно вспомнить, что "углерод-углеродные" носки на "Буране" выдерживали температуру до 1750 градусов, а с тех пор появились новые материалы (кому интересно - смотрите здесь http://www.buran.ru/htm/tersaf4.htm , ниже к посту дана картинка для плиточной теплозащиты "Бурана").

Второй - скорость полета М=27. Многие обратили внимание, что эта скорость выше первой космической, т.е. и наш "Буран", и американские шаттлы, и различные спускаемые аппараты, как и все боеголовки баллистических ракет, входят в атмосферу с более низкой скоростью. Например, для "Бурана" расчет посадочной траектории начинался с высоты 152500 метров ("официальная граница" космоса 100 км) - в этот момент он имел скорость 7578 метров секунду, что равнялось 22,82 Маха. Корабль падал, т.е. ускорялся, поэтому максимальное число Маха=27,92 достигалось на высоте 93-90 км. Это все еще космос, атмосферы почти нет. Например, скоростной напор (динамическое давление встречного потока) на этой высоте на указанной скорости 7,5 км/с составляет всего... 10 кг на квадратный (!) метр. В таких условиях говорить о "гиперзвуковом" полете на высоте 90 км может только полный идиот. Ну, или гуманитарий. Ну а по температуре уже все заметно - с начальных 27 градусов Цельсия на орбите к высоте 90 км температура успевает подняться до 1200 градусов.

Однако если говорить о максимальном нагреве (здесь важен кумулятивный эффект, да и скоростной напор нарастает быстрее темпа снижения скорости), то максимум 1656 градусов С достигается к высоте 77800 метров (скорость 7582 м/с, или М=26.69), и держится до высоты 69400 метров (скорость 6277 м/с, или М=21.05). Как видите, названные скорости М=27 вполне реальны, но установившийся полет на таком режиме при современных технологиях немыслим. Все, что мы сегодня слышим - это выхватывание дилетантами цифр из контекста.

Ну а что касается "подарка на Новый год" - сначала пенсию верни, балабол...

PS: что еще могу добавить. В середине "нулевых" годов появилась крайне интересная и сверхсекретная тема (напрягшимся компетентным товарищам могу дать ссылку на единственную открытую публикацию в журнале "Авиационная техника и технологии" НПО "Молния) - так называемые "трансатмосферные летательные аппараты". В двух словах - УСТАНОВИВШИЙСЯ полет в атмосфере на КРЕЙСЕРСКИХ скоростях ВЫШЕ первой космической скорости. Но здесь, судя по всему, абсолютно не тот случай...

PPS: и последнее (если быть точным) - в качестве определения для "гиперзвукового летательного аппарата" я использовал определение термина "гиперзвуковой самолет"

Повышение рабочих температур теплозащитных материалов