что такое гиперзвуковая скорость
Гиперзвуковая скорость
Ги́перзвуковая ско́рость (ГС) в аэродинамике — скорости, которые значительно превосходят скорость звука в атмосфере.
Начиная с 1970-х годов, понятие обычно относят к сверхзвуковым скоростям выше 5 чисел Маха (М).
Содержание
Общие сведения
Полет на гиперзвуковой скорости является частью сверхзвукового режима полета и осуществляется в сверхзвуковом потоке газа. Сверхзвуковой поток воздуха коренным образом отличается от дозвукового и динамика полета самолета при скоростях выше скорости звука (выше 1,2 М) кардинально отличается от дозвукового полета (до 0,75 М, диапазон скоростей от 0,75 до 1,2 М называется трансзвуковой скоростью).
Определение нижней границы гиперзвуковой скорости обычно связано с началом процессов ионизации и диссоциации молекул в пограничном слое (ПС) около аппарата, который движется в атмосфере, что начинает происходить примерно при 5 М. Также данная скорость характеризуется тем, что прямоточный воздушно-реактивный двигатель («ПВРД») с дозвуковым сгоранием топлива («СПВРД») становится бесполезным из-за чрезвычайно высокого трения, которое возникает при торможении проходящего воздуха в двигателе этого типа. Таким образом, в гиперзвуковом диапазоне скоростей для продолжения полета возможно использование только ракетного двигателя или гиперзвукового ПВРД (ГПВРД) со сверхзвуковым сгоранием топлива.
Характеристики потока
В то время как определение гиперзвукового потока (ГП) достаточно спорно по причине отсутствия четкой границы между сверхзвуковым и гиперзвуковым потоками, ГП может характеризоваться определенными физическими явлениями, которые уже не могут быть проигнорированы при рассмотрении, а именно:
Тонкий слой ударной волны
По мере увеличения скорости и соответствующих чисел Маха, плотность позади ударной волны (УВ) также увеличивается, что соответствует уменьшению объема сзади от УВ благодаря сохранению массы. Поэтому, слой ударной волны, то есть объем между аппаратом и УВ становится тонким при высоких числах Маха, создавая тонкий пограничный слой (ПС) вокруг аппарата.
Образование вязких ударных слоев
Часть большой кинетической энергии, заключенной в воздушном потоке, при М > 3 (вязкое течение) преобразуется во внутреннюю энергию за счет вязкого взаимодействия. Увеличение внутренней энергии реализуется в росте температуры. Так как градиент давления, направленный по нормали к потоку в пределах пограничного слоя, приблизительно равен нулю, существенное увеличение температуры при больших числах Маха приводит к уменьшению плотности. Таким образом, ПС на поверхности аппарата растет и при больших числах Маха сливается с тонким слоем ударной волны вблизи носовой части, образуя вязкий ударный слой.
Появление волн неустойчивости в ПС, не свойственных до- и сверхзвуковым потокам
Высокотемпературный поток
Параметры подобия
Параметры газовых потоков принято описывать набором критериев подобия, которые позволяют свести практически бесконечное число физических состояний в группы подобия и которые позволяют сравнивать газовые потоки с разными физическими параметрами (давление, температура, скорость и пр.) между собой. Именно на этом принципе основано проведение экспериментов в аэродинамических трубах и перенос результатов этих экспериментов на реальные летательные аппараты, несмотря на то, что в трубных экспериментах размер моделей, скорости потока, тепловые нагрузки и пр. могут сильно отличаться от режимов реального полёта, в то же время, параметры подобия (числа Маха, Рейнольдса, Стантона и пр.) соответствуют полётным.
Для транс- и сверхзвукового или сжимаемого потока, в большинстве случаев таких параметров как число Маха (отношение скорости потока к местной скорости звука) и Рейнольдса достаточно для полного описания потоков. Для гиперзвукового потока данных параметров часто бывает недостаточно. Во-первых, описывающие форму ударной волны уравнения становятся практически независимыми на скоростях от 10 М. Во-вторых, увеличенная температура гиперзвукового потока означает, что эффекты, относящиеся к неидеальным газам становятся заметными.
Учет эффектов в реальном газе означает бо́льшее количество переменных, которые требуются для полного описания состояния газа. Если стационарный газ полностью описывается тремя величинами: давлением, температурой, теплоёмкостью (адиабатическим индексом), а движущийся газ описывается четырьмя переменными, которая включает еще скорость, то горячий газ в химическом равновесии также требует уравнений состояния для составляющих его химических компонентов, а газ с процессами диссоциации и ионизации должен еще включать в себя время как одну из переменных своего состояния. В целом это означает, что в любое выбранное время для неравновесного потока требуется от 10 до 100 переменных для описания состояния газа. Вдобавок, разреженный гиперзвуковой поток (ГП), обычно описываемый в терминах чисел Кнудсена, не подчиняются уравнениям Навье-Стокса и требуют их модификации. ГП обычно категоризируется (или классифицируется) с использованием общей энергии, выраженной с использованием общей энтальпии (мДж/кг), полного давления (кПа) и температуры торможения потока (К) или скорости (км/с).
Для инженерных приложений У. Д. Хэйес развил параметр подобия, близкий к правилу площадей Виткомба, который позволяет инженерам применять результаты одной серии испытаний или расчетов, выполненных для одной модели, к разработке целого семейства подобных конфигураций моделей, при этом не проводя дополнительных испытаний или подробных расчетов.
Список режимов
Гиперзвуковой поток подразделяется на множество частных случаев. Отнесение ГП к одному или другому режиму потока представляется сложной задачей по причине «размытия» границ состояний, при которых это явление в газе обнаруживается или становится заметным с точки зрения используемого математического моделирования.
Идеальный газ
В данном случае, проходящий воздушный поток может рассматриваться как поток идеального газа. ГП в данном режиме все еще зависит от чисел Маха и моделирование руководствуется температурными инвариантами, а не адиабатической стенкой, что имеет место при ме́ньших скоростях. Нижняя граница этой области соответствует скоростям около 5 М, где СПВРД с дозвуковым сгоранием становятся неэффективными, и верхняя граница соответствует скоростям в районе 10—12 М.
Идеальный газ с двумя температурами
Является частью случая режима потока идеального газа с большими значениями скорости, в котором проходящий воздушный поток может рассматриваться химически идеальным, но вибрационная температура и вращательная температура газа [3] должны рассматриваться отдельно, что приводит к двум отдельным температурным моделям. Это имеет особое значение при проектировании сверхзвуковых сопел, где вибрационное охлаждение из-за возбуждения молекул становится важным.
Диссоциированный газ
В данном случае молекулы газа начинают диссоциировать по мере того, как они вступают в контакт с генерируемой движущимся телом ударной волной. Поток начинает различаться для каждого конкретного рассматриваемого газа со своими химическими свойствами. Способность материала корпуса аппарата служить катализатором в этих реакциях играет роль в расчете нагрева поверхности, что означает появление зависимости гиперзвукового потока от химических свойств движущегося тела. Нижняя граница режима определяется первым компонентом газа, который начинает диссоциировать при данной температуре торможения потока, что соответствует азоту при 2000 К. Верхняя граница этого режима определяется началом процессов ионизации атомов газа в ГП.
Ионизированный газ
В данном случае, количество потерянных атомами электронов становится существенным и электроны должны моделироваться отдельно. Часто температура электронного газа рассматривается изолировано от других газовых компонентов. Этот режим соответствует диапазону скоростей ГП 10—12 км/с (> 25 М) и состояние газа в данном случае описывается с помощью моделей безызлучательной или неизлучающей плазмы.
Режим доминирования лучевого переноса
На скоростях выше 12 км/с передача тепла аппарату начинает происходить в основном через лучевой перенос, который начинает доминировать над термодинамическим переносом вместе с ростом скорости. Моделирование газа в данном случае подразделяется на два случая:
Моделирование оптически толстых газов является сложной задачей, так как из-за вычисления радиационного переноса в каждой точке потока объем вычислений растет экспоненциально вместе с ростом количества рассматриваемых точек.
Хождение за пять Махов
Гиперзвуковая скорость, «гиперзвук» — сегодня в ракетной и авиационной сфере это самое модное слово. Как «нанотехнологии» повсеместно лет десять назад. Но что же это такое «гиперзвук», и в чем он измеряется?
От дозвука до гиперзвука
Скорость звука в воздухе давно принята за некую эталонную точку отсчета для самых разных научных и практических измерений. Впервые об этой величине как о достаточно стабильной упоминал еще Аристотель. Он использовал ее для сравнения и характеристики движения тел. Первым же человеком в истории, преодолевшим звуковой барьер, стал в 1947 году американский летчик-испытатель Чарльз Йегер на экспериментальном самолете Bell Х-1. Первый советский пилот, капитан Олег Соколовский, разогнался до скорости звука годом позже — на Ла-176, также экспериментальном.
Правда, сверхзвуковые полеты середины ХХ века были весьма условными по нынешним понятиям. Ла-176 достигал скорости звука лишь в пологом пикировании, а Bell Х-1 для этого и вовсе поднимался в небо не собственными силами, а с помощью самолета-носителя, дабы не потратить все топливо на взлете.
Сверхзвуковым принято называть диапазон от 1 до 5 скоростей звука, ну а 5 «звуковых» скоростей и далее — это тот самый «гиперзвук», о котором сегодня так много говорят. Правда, пока он упоминается чаще всего применительно к ракетному оружию, ибо пилотируемые и беспилотные самолеты, перемещающиеся на таких скоростях, в массе своей представляет штучные тестовые модели.
Наиболее характерным представителем этой категории летающих машин стоит назвать американский NASA X-43, ставший в первой половине прошлого десятилетия относительно открытой компиляцией всех аналогичных секретных военных разработок России и США, начавшихся еще в 1950-е гг. Этот небольшой беспилотник достиг почти десяти скоростей звука. Правда, для этого он (как тот самый Bell Х-1 в 1947-м!) сперва поднимался в воздух, будучи прицепленным к крылу бомбардировщика B-52, затем десять секунд набирал скорость с помощью реактивного двигателя, после чего в течение такого же времени планировал и в итоге тонул в океане…
Скорость звука и число Маха
Когда заходит речь о сверхзвуковых или гиперзвуковых скоростях, вместо привычных большинству людей километров (или миль) в час начинают фигурировать какие-то странные «Махи». Например — «скорость самолета превысила 5,2 Маха». Что же это за единица измерения и как ее воспринимать?
Так называемое «число Маха» названо в честь Эрнста Маха, австрийского физика. Будучи одним из основоположников газовой механики и окончив жизнь в эпоху первых летающих «этажерок», «небесных тихоходов», он и подумать не мог, что уже в конце 1940-х гг. реактивные истребители вплотную приблизятся к звуковому барьеру, и единица скорости, названная его именем, войдет в повседневный обиход авиаторов.
Число Маха, или число М, как его также называют — не самая очевидная вещь для понимания. Одна из канонических трактовок звучит так: «отношение скорости течения в данной точке газового потока к местной скорости распространения звука в движущейся среде»… Впрочем, попробуем объяснить его понятными словами, «на пальцах».
Запредельно упрощенно (и весьма некорректно!) можно сказать, что единица числа Маха — это скорость звука. Иными словами, 1 Мах условно равен 340 метрам в секунду или 1224 км/ч. Соответственно, 2 Маха — условно 680 метров в секунду или 2448 км/ч, и далее соответственно. Однако любой преподаватель газодинамики за такое объяснение отвесит вам полновесного «леща» учебником Абрамовича. Ибо число Маха — это не скорость в классическом понимании — в виде расстояния, пройденного за отрезок времени. Эта безразмерная единица, хотя и плотно привязана к скорости звука в воздухе, учитывает тот факт, что скорость звука — вовсе не постоянная величина!
Большинство считает, что скорость звука в воздухе равна 340 метрам в секунду. Но свойства-то воздуха могут быть разными. А значит, различна и скорость распространения звука в нем! В приземном слое она действительно равна тем самым 340 метрам в секунду, но, к примеру, на высотах около десяти километров, скорость из-за разреженности воздуха и низких температур — иная, и составляет уже около 300 метров в секунду.
Чтобы преодолеть звуковой барьер непосредственно над землей, самолету нужно достичь скорости 1224 км/ч, а на высоте десяти тысяч метров для этого достаточно скорости 1076 км/ч — на 148 км/ч меньше. Разница около 13–14 процентов — это весьма немало и имеет существенное значение как для инженеров, проектирующих самолет, так и для пилотов, им управляющих. Иными словами, 1 Мах — это скорость звука при конкретных параметрах высоты и температуры, в которых летит самолет, «здесь и сейчас».
Для чего нужно измерение скорости в Махах?
Слово «MACH» или буква «М» значатся на особых индикаторах скорости в пилотских кабинах — этими приборами часто дополняют измерители приборной скорости и на летном жаргоне их именуют «махометрами». Лимб «махометра» размечен в условных единицах — условно говоря, если его стрелка встанет на цифру 1, то самолет летит со скоростью звука в данный момент времени и на данной высоте. Если полет, предположим, проходит низко над землей, то фактическая скорость при 1 Махе будет равняться 1224 км/ч, если на высоте десяти тысяч метров — 1076 км/ч.
Но возникает естественный вопрос — для чего пилоту необходимы данные скорости с «махометра»? Дело в том, что момент перехода через звуковой барьер связан с резкими изменениями аэродинамического баланса самолета и требует повышенного внимания в управлении. И этот момент как раз точно индицирует «махометр».
В дальнейшем, после «перехода через единицу» этот прибор также необходим для оценки реальной ситуации, что называется, «онлайн», ибо за звуковым пределом машина ведет себя совсем не так, как до него. Ну, и наконец, индикация реальной скорости в Махах нужна для отслеживания числа М, обозначенного создателями самолета, как конструктивный предел его прочности.
Впрочем, «махометр» имеется не в каждом самолете. Собственно, принято считать, что для летающих машин, не превышающих скоростей около 400 км/ч и высот около 2–3 тысяч километров конвертация скорости в число М неактуальна — самолет в своем штатном дозвуковом диапазоне рабочих скоростей ведет себя достаточно линейно и предсказуемо.
masterok
masterokМастерок.жж.рф
Хочу все знать
Последнее время, что ни день, натыкаешься на сообщения по гиперзвуку: «Головные части ракет маневрируют, летят на гиперзвуке и на межконтинентальную дальность…» «В России идут испытания гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя!» И так далее, и тому подобное.
Перед глазами простого обывателя сразу встает фантастическая картина — гиперзвуковые самолеты взлетают и поражают своими ракетами, опять же на гиперзвуке, межконтинентальные цели… И сами самолеты и их ГПВРД ракеты — невидимы и не перехватываемы.
Так ли это? Посмотрим.
Снова на глаза попалась статья «Гиперзвуковой, прямоточный, летает» в «Технике — молодежи» от 1991 года.
В статье пишется: «ГПВРД или, как говорят, «гиперзвуковая прямоточка», позволит долететь из Москвы в Нью-Йорк за 2-3 часа, уходить крылатой машине из атмосферы в космос. Воздушно-космическому самолету не понадобиться ни самолет-разгонщик, как для «Зенгера», ни ракета-носитель, как для «шаттлов» и «Бурана», — доставка грузов на орбиту обойдется чуть ли не вдесятеро дешевле». Статью писали Юрий ШИХМАН и Вячеслав СЕМЕНОВ, научные сотрудники ЦИАМ.
Конечно с обеими я был хорошо знаком, так как участвовал с ними во многих работах по тематике института. В том числе и по тематике ГПВРД. Хотя к основным и главным моя часть работы не относилась, тем не менее, была необходимой и важной. К этой работе меня подключили в ещё в году 84-м, ещё молодым специалистом и м.н.с. Тогда ещё ведущим над всеми работами по теме «Холод» в ЦИАМ был Рувим Исаевич Курзинер.
Опытный ГПВРД по теме «Холод», или изделие 057, в составе гиперзвуковой летающей лаборатории (ГЛЛ) представлял собой исследовательский объект, главная задача которого — демонстрация возможности горения топливовоздушной смеси при сверхзвуковой скорости истечения рабочего тела в контуре камеры сгорания. На земле смоделировать все режимы горения не представлялось возможным, поэтому такую задачу было решено исследовать в реальных условиях полета.
В качестве носителя, разгонщика и моделирующего режимы полета для исследования была использована зенитная ракета 5В28 комплекса С-200В (SA-5). Вместо головной части которой стыковался ГЛЛ с ГПВРД с топливным баком и системами управления и обслуживания.
Первый полет ГЛЛ с ГПВРД был осуществлен 28 ноября 1991 года. В первом летном испытании ГПВРД максимальное число М составило 5,8, двигатель суммарно проработал 28 с, в процессе полета он дважды включался автоматически. Таким образом, впервые в мире в условиях летного испытания была доказана работоспособность гиперзвукового ПВРД ( журнал «Двигатель» №6 от 2006 года ).
За 1991-98 годы было произведено около 8 пусков (с учетом бросковых). В исследованиях экспериментального ГПВРД кроме российских специалистов приняли участие французы — в 1992 и 1995 годах по контрактам с Национальным научным центром Франции (ONERA), а в 1997 и 1998 годах — американцы, по контракту с Национальным космическим агентством США (NASA).
Итак, прошло больше 20 лет. Что мы имеем?
Есть ли летательные аппараты на гиперзвуке, то есть ли летающие на гиперскоростях (М>5)? Есть!
Проведем «мысленный эксперимент». А можно ли весь этот посадочный профиль «гиперзвукового орбитального корабля» «Буран» провернуть назад?
Можно!
Только для этого нужна ракета-носитель «Энергия».
«А если на ГПРД?» — спросит читатель. Можно. Но для этого придется для обеспечения выхода ГПРД на режим сначала «толкнуть» всю систему чем-то подобным ПРД, т.е. разгонным «пороховичком». А потом довывести до круговой орбиты, «подпитывая» двигатели запасенным кислородом или на чистом ЖРД. В итоге «экономия» на окислителе, при использовании кислорода атмосферы на ГПВРД, составит ну что-то примерно 20%. Но зато столько сложностей, что не приведи господи!
А задумывали ли инженеры такого рода «экономные системы», использующие забортный воздух? Да сколько угодно! Те же «Зенгер» и «Хотол».
И… скромно скажем — ранние версии, всемирно известного теперь МБР «Тополь». Да, действительно так! Вся эта система называлась «Гном»
«Гном» — трехступенчатая межконтинентальная баллистическая ракета, оснащенная прямоточным твердотопливным маршевым двигателем первой ступени, твердотопливными двигателями второй и третьей ступеней и ускорителем. Проектирование велась с начала 60-х годов в КБ машиностроения (г. Коломна) под руководством Бориса Шавырина.
Максимальная дальность стрельбы, км 11000
Стартовая масса, т 29
Масса полезной нагрузки, кг 470
Длина ракеты, м 16,14
Количество ступеней 3
В дальнейшем конструктор МИТ А.Д. Надирадзе, опираясь на имеющийся уже у него опыт создания мобильной ОТР «Темп», предложил проект МБР на обычных твердотопливных двигателях. Его поддержало руководство Миноборонпрома, и в результате мы получили 45-тонный мобильный грунтовой межконтинентальный «Темп-2С». Далее, его модернизации и усовершенствования — «Пионеры» (РСД) и «Тополя» (МБР)… Многие в этом видят его коварство (45 тонн вместо обещанных 29). Тем не менее, и с «Гномом» могло получиться то же самое. Одно дело расчеты — совсем другое практическая реализация!
Сверхзвуковая межконтинентальная крылатая ракета «Буря» («изделие 351″), ближе всех стоящая к требуемым параметрам ЛА с ГПВРД.
Длина, м — 20,396
Размах крыла, м — 7,746
Высота, м — 6,642
Площадь крыла, м2 — 44,6
Стартовая масса, кг — 98.280
Масса начальная маршевой ступени, кг — 33.522
Масса головной части, кг — 3403
Скорость маршевая, км/ч — 3300
Высота полета, км — 18 — 25,5
Дальность, км — 7830
Чисто теоретически, эту систему, используя современные материалы, топлива, твердотопливные «разгонники», можно ускорить, вероятно, и до 5 махов. Только вот в чем вопрос: а будут ли у него суперпревосходства относительно существующих МБР?
Время подлета к цели на максимальную дальность составит примерно 1,5 часа (МБР — 30 минут).
Некоторые преимущества будут — например, запаздывание с обнаружением.
МБР обнаруживается довольно быстро, во-первых — начальный факел, во-вторых — большая восходящая высота баллистической траектории (до 1600км).
Хотя наши последние «Тополя-М» и «Ярсы» и иже с ними того же семейства, говорят, могут летать и по другим, например, квазинастильным круговым трассам (100-200 км), потому-то у них энерговооруженность и масса существенно отличаются от худосочных «Минитменов», оптимизированных под баллистические траектории.
Мне в связи с этим вспоминаются язвительные восторги инженера-ракетчика НАСА (или Пентагона) — «де, русские не умеют делать ракеты, у них даже современные тяжелее и габаритнее наших, разработки 70-х годов». Возгласы, правда, быстро утихли. Видимо, более квалифицированные товарищи ему объяснили, в чем тут дело…
Так вот, главный вопрос с гиперзвуковыми самолетами-ракетами, — нужны ли они, или воздержимся пока?
Как мы видели — ракеты и орбитальные корабли уже давно были реализованы, правда не на ГПВРД.
Красвоздух
Авиация, Парашюты, Парапланы
Гиперзвуковая скорость
Советская гиперзвуковая ракета Х-90
Советская гиперзвуковая ракета Х-90 со сложенными крыльями
Гиперзвуковая скорость – это полёт со скоростью от ЧЕТЫРЁХ скоростей звука и более. Среди авиационных специалистов чаще всего используется название не «скорость звука», а «Мах». Это название произошло от фамилии австрийского учёного физика Эрнста Маха (Ernst Mach), который исследовал аэродинамические процессы, сопровождающие сверхзвуковое движение тел. Таким образом, 1Мах – это ОДНА скорость звука. Соответственно гиперзвуковая скорость – это ЧЕТЫРЕ Маха и более. В 1987-м году 7-го декабря в Вашингтоне главы государств СССР и США, Михаил Горбачёв и Рональд Рейган подписали договор о ликвидации ядерных ракет средней дальности «Пионер» и «Першинг-2». В результате этого события произошла остановка разработки советской стратегической крылатой ракеты «Х-90», которая обладала гиперзвуковой скоростью полёта. Создатели ракеты Х-90 получили разрешение провести только ОДИН испытательный полёт. Данное успешное испытание могло привести к грандиозному переоснащению советских ВВС летательными аппаратами с гиперзвуковой скоростью полёта, которые могли бы обеспечить превосходство в СССР воздухе.
Американский сверхзвуковой экспериментальный самолёт Bell X-1
В 1943-м году американская авиакомпания «Bell» приступила к созданию самолёта, который должен был преодолеть скорость звука. Пуля, выстреленная из винтовки, летит быстрее скорости звука, поэтому над формой фюзеляжа нового самолёта долго не думали. Его конструкция предполагала большой запас прочности. В некоторых местах обшивка превышала толщину ОДИН сантиметр. Пулька получилась тяжёлая. О самостоятельном взлёте не могло быть и речи. В небо новый самолёт поднимался с помощью бомбардировщика В-29. Американский самолёт, предназначенный для преодоления скорости звука, получил название «Х-1» (смотри статью «Неизвестные самолёты»). Форма фюзеляжа Х-1 могла бы подойти и для гиперзвуковой скорости полёта.
Первый советский сверхзвуковой самолёт Ла-176
Гражданский лётчик-испытатель Чалмерс Гудлин поставил условие – премия за преодоление скорости звука 150 000 долларов! Тогда зарплата капитана ВВС США составляла 283 доллара в месяц. Молодой капитан в возрасте 24-х лет Чак Йегер, боевой офицер лётчик асс, сбивший 19 фашистских самолётов, 5 из них в одном бою, решил, что это ОН преодолеет скорость звука. Никто не знал, что во время полёта на преодоление скорости звука у него были сломаны два ребра, и плохо шевелилась правая рука. Это произошло в результате падения с лошади во время прогулки с женой накануне. Чак Йегер понимал, что это его крайний полёт перед больницей и промолчал, чтобы полёт НЕ отменили. Преодоление скорости звука станет первым этапом на пути продвижения к гиперзвуковой скорости полёта.
Первая советская баллистическая ракета Р-1 на стартовой позиции
В 1947-м году 14-го октября во вторник с секретной авиабазы поднялся в небо американский стратегический бомбардировщик В-29 с прикреплённым к бомбовому отсеку самолётом. На высоте примерно 7 км от него отделился пилотируемый аппарат в то время необычной формы. Через несколько минут раздался оглушительный хлопок, как при выстреле из нескольких пушек одновременно, но это была НЕ катастрофа. В этот день американский лётчик-испытатель Чарльз Элвуд Йегер, более известный как Чак Йегер (Chuck Yeager) или Чак Игер, впервые в истории человечества преодолел СКОРОСТЬ ЗВУКА на ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОМ самолёте Х-1. Сверхзвуковой самолёт Х-1 обладал максимальной скоростью полёта – 1 556 км/ч и это с прямым крылом, практический потолок Х-1 – 13 115 метров, максимальная тяга двигателя – 2 500 кгс. Приземлялся Х-1 сам, в планирующем режиме. Позже на этой же авиабазе, более известной как «Зона-51», расположенной на дне высохшего солёного озера Грум (Groom), на юге штата Невада проводились испытания аппаратов с гиперзвуковой скоростью полёта.
Первая советская баллистическая ракета Р-1 в полёте
После принятия в США доктрины ядерной войны количество стратегических бомбардировщиков в США увеличилось в четыре раза. Защищать бомбардировщики должны были тысячи реактивных истребителей F-80 и F-82. Через один год после Чака Йегера скорость звука преодолел и советский лётчик-испытатель Иван Евграфович Фёдоров на истребителе «Ла-176».
Первая советская КРЫЛАТАЯ ракета «Буря» на стартовой площадке во время старта
Стреловидность крыла Ла-176 составляла 45 градусов, максимальная тяга двигателя — 2 700 кгс, практический потолок – 15 000 м, максимальная скорость — 1 105 км/ч. В тот момент пределом для пилотируемой авиации казались 2-3 скорости звука. Но на секретном полигоне СССР уже тогда проходила испытания техника, обладающая гиперзвуковой скоростью полёта. Это была ракета «Р-1» с максимальной скоростью полёта 1 465 м/с и дальностью полёта 270 км. Испытания Р-1 проводились на полигоне «Капустин яр» в Астраханской области. Будущим летательным аппаратам, двигающимся с гиперзвуковой скоростью, требовались не только новые двигатели и новые материалы, но и новое топливо. Секретным топливом для баллистической ракеты Р-1 служил этиловый спирт высшей категории очистки.
Первая советская КРЫЛАТАЯ ракета «Буря» в полёте
Американский космический корабль многоразового использования «Спэйс-Шатл» во время движения на стартовый комплекс
Первый успешный пуск советской баллистической ракеты Р-1 был осуществлён 10-го октября 1948-го года. Для достижения военного равновесия с США требовались ракеты с дальностью полёта НЕ сотни, а тысячи километров. Испытания ракет Королёва шли успешно, и каждая последующая модель приобретала всё большую гиперзвуковую скорость полёта и всё большую дальность полёта. На повестку дня вышел вопрос о замене ракетного топлива. Этиловый спирт в качестве топлива перестал подходить из-за своей недостаточной скорости горения и из-за своей недостаточной теплоёмкости, то есть количества энергии. Дело в том, что для того чтобы летать на гиперзвуковых скоростях в качестве топлива подходит только ВОДОРОД. Ни на каком другом химическом элементе так быстро летать нельзя! Водород обладает большой скоростью горения и большой теплоёмкостью, то есть высокой температурой горения, имея при этом минимально возможный объём водородного топлива. Соответственно при применении ВОДОРОДА получается максимальная тяга двигателя. Кроме всего этого ВОДОРОДНОЕ топливо является АБСОЛЮТНО ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫМ топливом. С.П.Королёв считал, что именно это топливо позволит решить проблему передвижения в околоземном пространстве на гиперзвуковых скоростях полёта.
Американский космический корабль многоразового использования «Спэйс-Шатл» во время работы на орбите
Межконтинентальная ракета Р-7 во время старта
В 1954-м году советская разведка получила секретное сообщение от резидента в США, благодаря которому и в СССР начались работы по созданию авиации с гиперзвуковой скоростью полёта. В США этот проект получил название «Наваху». Через два месяца после секретного сообщения вышло постановление советского правительства о начале создания стратегической КРЫЛАТОЙ ракеты. В СССР разработку такой ракеты поручили КБ С.А.Лавочкина (смотри статью «Семён Алексеевич Лавочкин»). Проект получил название «Буря». Всего через ТРИ года «Буря» начала проходить испытания на полигоне «Капустин яр». Компоновка «Бури» соответствовала современному американскому многоразовому космическому кораблю «Спэйс Шатл». На момент испытаний «Бури» стало известно, что американский проект «Наваху» ЗАКРЫЛИ. Это произошло, скорее всего, из-за того, что американские конструкторы в тот момент не смогли создать необходимые двигатели.
Межконтинентальная ракета Р-7 в полёте
«Буря» была рассчитана не на гиперзвуковую скорость полёта, а на чуть меньшую скорость, на ТРИ с ПОЛОВИНОЙ скорости звука. Это было обусловлено тем, что на тот момент ещё не создали материалы, которые выдерживали бы НАГРЕВ ОБШИВКИ соответствующий гиперзвуковой скорости. Также и бортовые приборы должны были сохранять работоспособность при большой температуре нагрева. При создании «Бури» ещё только начали разрабатывать материалы выдерживающие данные температурные условия нагрева.
На момент ТРЁХ удачных пусков крылатой ракеты «Бури», обладающей ДО гиперзвуковой скоростью, ракеты Королёва, «Р-7», уже вывели на околоземную орбиту первый искусственный спутник Земли и первое живое существо – дворняжку по кличке «Лайка». В это время руководитель СССР Н.С.Хрущёв в интервью для Западной прессы во всеуслышанье заявил, что на ракету Р-7 можно установить ЯДЕРНЫЙ заряд и поразить ЛЮБУЮ ЦЕЛЬ на территории США. С этого момента ОСНОВОЙ ракетно-космической обороны СССР стали межконтинентальные баллистические ракеты. Крылатая ракета «Буря» делалась для выполнения этой же самой задачи, но тогдашнее правительство СССР посчитало, что тащить обе эти программы, одновременно, будет слишком накладно и «Бурю» ЗАКРЫЛИ.
Американский экспериментальный самолёт X-31Rockwell
В конце 1950-х и все 1960-е года и в США и в СССР проводились эксперименты по созданию перспективной авиационной техники, обладающей гиперзвуковой скоростью полёта. Но в плотных слоях атмосферы летательные аппараты слишком перегревались, а в некоторых местах даже плавились, поэтому достижение гиперзвуковой скорости в АТМОСФЕРЕ вновь и вновь откладывалось на неизвестное время. В США существует программа создания экспериментальных самолётов под названием «Х», с помощью которых исследуется полёт на гиперзвуковых скоростях. Американские военные возлагали большие надежды на экспериментальный самолёт «Х-31», но 15-го ноября 1967-го года через 10 секунд полёта на гиперзвуковой скорости Х-31 взорвался. После этого программа экспериментальных самолётов «Х» была приостановлена, но только на некоторое время. Так в середине 1970-х годов на американском экспериментальном самолёте «Х-15» на высоте около 100 км была достигнута гиперзвуковая скорость полёта, равная 11-ти скоростям звука (3,7 км/сек).
Американский экспериментальный самолёт X-31Rockwell
В середине 1960-х годов и США и СССР независимо друг от друга и одновременно приступили к созданию уже серийных самолётов летающих с крейсерской скоростью ТРИ Маха! Полёт с ТРЕМЯ скоростями звука в АТМОСФЕРЕ очень сложная задача! В результате КБ Келли Джонсона на фирме «Локхид» и КБ А.И.Микояна на МиГе (смотри статью «Артём Иванович Микоян») создали два шедевра авиационной техники. Американцы — стратегический разведчик «SR-71″ Blackbird (смотри статью «SR-71»). Русские лучший в мире истребитель-перехватчик «МиГ-25» (смотри статью «МиГ-25»). Снаружи SR-71 имеет чёрный цвет НЕ из-за чёрной краски, а из-за ФЕРРИТОВОГО покрытия, которое очень эффективно отводит тепло. Позже SR-71 был доведён до гиперзвуковой скорости полёта 4 800 км/ч. МиГ-25 успешно использовался во время войны Израиля с Египтом в качестве высотного разведчика. Весь полёт на МиГ-25 над Израилем занимал ДВЕ МИНУТЫ. Израильские ПВО утверждают, что МиГ-25 обладает ТРЕМЯ С ПОЛОВИНОЙ скоростями звука (4 410 км/ч или 1 225 м/с)!
Американский экспериментальный гиперзвуковой самолёт X-15 с дополнительными топливными баками которые сбрасываются после использования топлива
Превосходство в воздухе может обеспечить и воздушно-космическая авиация. В результате работ по данной тематике появились космические корабли МНОГОРАЗОВОГО использования американский «Спейс-Шатл» и советский «Буран» (смотри статью «Буран космический корабль»). При посадке на землю космические корабли многоразового использования входят в атмосферу с Первой Космической скоростью, 7,9 км/сек – это в 23,9 раза больше скорости звука. Для защиты от перегрева при входе в атмосферу, многоразовые космические корабли снаружи покрывают специальной КЕРАМИЧЕСКОЙ плиткой. Понятно, что даже при НЕ очень большом нарушении этого керамического покрытия на гиперзвуковой скорости произойдёт катастрофа.
Американский экспериментальный гиперзвуковой самолёт X-15 в полёте
После бесплодных поисков универсальных средств защиты от перегрева борьба за первенство в воздухе переместилась на другую — сверхнизкую высоту. КРЫЛАТЫЕ ракеты перешли на высоту полёта около 50-ти метров, на, ДО гиперзвуковые скорости полёта, около 850 км/ч с технологией ОГИБАНИЯ РЕЛЬЕФА местности. Американская крылатая ракета получила название «Томагавк» (Tomahawk), а советский аналог «Х-55». Обнаружение крылатой ракеты радаром затруднено потому, что сама ракета благодаря новейшей системе самонаведения имеет небольшие размеры и соответственно малую отражающую площадь. Также поражение крылатой ракеты затруднено по причине активного, непредсказуемого маневрирования во время полёта. Создание советской крылатой ракеты Х-55 было поручено КБ «Радуга», руководителем которого являлся Игорь Сергеевич Селезнёв.
Американский экспериментальный гиперзвуковой самолёт X-15 после посадки
Однако расчёты показали, что почти полную неуязвимость крылатой ракеты может обеспечить только гиперзвуковая скорость полёта в пять-шесть раз больше скорости звука (5-6 Махов), что соответствует, скорости примерно два км/сек. На первых же испытаниях новой техники конструкторы опять столкнулись с той же проблемой температурного перегрева. При достижении заданной гиперзвуковой скорости полёта поверхность ракеты нагревалась почти до 1 000 градусов Цельсия и первыми выходили из строя антенны управления. Тогда Игорь Селезнёв отправился в Ленинград на предприятие «Ленинец», где изготавливали бортовую радиоэлектронику. Специалисты дали НЕ утешительное заключение. Сделать управляемую ракету, летящую на гиперзвуковой скорости в плотных слоях атмосферы невозможно.
Американский стратегический гиперзвуковой самолёт РАЗВЕДЧИК Lockheed SR-71 Blackbird
Но один из сотрудников НИИ, а именно Владимир Георгиевич Фрайнштадт предложил оригинальную идею. Почему бы керосин, находящийся на борту крылатой ракеты в качестве топлива не использовать ещё и в качестве ОХЛАДИТЕЛЯ головки самонаведения. Были проведены эксперименты по созданию системы охлаждения с помощью бортового топлива, керосина. В ходе работ Фрайнштадт пришёл к выводу, что керосин НЕ обладает достаточным количеством энергии для полёта на гиперзвуковой скорости и что необходимым топливом для гиперзвуковой скорости является ВОДОРОД. Но Фрайнштадт предложил получать водород из керосина прямо на борту ракеты. Концепция такого двигателя получила название «Аякс».
Советский космический корабль многоразового использования «Буран» Хорошо видно теплоизоляционное покрытие корабля состоящее из специальных КЕРАМИЧЕСКИХ плиток
Советский космический корабль многоразового использования «Буран» на орбите
Американская крылатая ракета «Томагавк» Запуск с корабельной установки
Однако после первого успешного пуска Х-90 все работы по этой ракете были прекращены. Это произошло благодаря распоряжению нового руководителя СССР, М.С.Горбачёва. В это время в Ленинграде, Владимир Фрайнштадт организовал группу учёных энтузиастов для создания гиперзвукового двигателя «Аякс». Эта группа Фрайнштадта не просто создавала агрегат по переработке керосина в водород, но и училась управлять возникающей во время полёта на гиперзвуковой скорости, разрушительной ПЛАЗМОЙ вокруг аппарата. Это намечало технологический прорыв всей пилотируемой авиации! Группа Фрайнштадта приступила к подготовке первого полёта гиперзвуковой модели. Однако в 1992-м году проект «Аякс» ЗАКРЫЛИ из-за прекращения финансирования. В 1980-х годах, в СССР разработки летательных аппаратов летающих с гиперзвуковыми скоростями находились на передовых позициях в мире. Этот задел был потерян уже только в 1990-х годах.
Американская крылатая ракета «Томагавк» непосредственно перед попаданием в цель
ЭФФЕКТИВНОСТЬ и ОПАСНОСТЬ боевых летательных аппаратов летающих с гиперзвуковыми скоростями была ОЧЕВИДНА уже тогда, в 1980-х годах. В 1998-м году в начале августа в непосредственной близости от американских посольств в Кении и Танзании прогремели мощные взрывы. Эти взрывы устроила мировая террористическая организация «Алькаида», руководителем которой являлся, Усама Бен Ладен. В этом же году 20-го августа американские корабли, находившиеся в Аравийском море, произвели боевой пуск восьми крылатых ракет «Томагавк». Через два часа ракеты попали в территорию лагеря террористов, расположенную в Афганистане. Далее в секретном донесении президенту США, Б. Клинтону агенты сообщили, что главная цель ракетного удара по базе «Алькаиды» в Афганистане НЕ достигнута. Через полчаса после СТАРТА ракет Бен Ладен о летящих на него ракетах был ПРЕДУПРЕЖДЁН по спутниковой связи и покинул базу примерно за один час до взрывов. Из этого результата американцы сделали вывод такой, что данную боевую задачу могли бы выполнить ракеты только с гиперзвуковой скоростью полёта.
Российская крылатая ракета Х-55 перед установкой на самолёт
Через несколько дней управление перспективных разработок Министерства Обороны США подписало долгосрочный договор с фирмой «Боинг». Авиационная фирма получила много миллиардный заказ на создание универсальной крылатой ракеты обладающей гиперзвуковой скоростью полёта, ШЕСТЬ Махов. Заказ стал масштабным проектом, который позволит США создать перспективные системы вооружения и авиации. В дальнейшем гиперзвуковые аппараты в процессе своего развития могут превратиться в аппараты МЕЖСРЕДНЫЕ, которые смогут многократно переходить из атмосферы в космос и обратно, при этом активно маневрируя. Такие аппараты благодаря своей нестандартной и непредсказуемой траектории полёта могут представлять очень большую опасность.
Российская крылатая ракета Х-55 перед установкой на самолёт Ту-160
Американский экспериментальный гиперзвуковой самолет X-43A
Предположительно в 2060-х годах в мире начнётся массовый переход пассажирской авиации, летающей на расстояния свыше 7 000 км, на гиперзвуковые скорости полёта при высотах полёта от 40 до 60 км. В 2003-м году американцы профинансировали свои исследования для своих будущих разработок пассажирских самолётов с гиперзвуковой скоростью полёта на советском сверхзвуковом пассажирском самолёте «Ту-144» (смотри статьи «Ту-144» и «Алексей Андреевич Туполев»). В своё время Ту-144 был изготовлен в количестве 19-ти штук. В 2003-м году один из трёх оставшихся в наличии Ту-144 отремонтировали и превратили в летающую лабораторию в РОССИЙСКО-АМЕРИКАНСКОЙ программе по отработке систем самолётов нового поколения. Американцы были в восторге от советского Ту-144.
Советский сверхзвуковой пассажирский самолёт Ту-144
Первые идеи ракетопланов – гиперзвуковых самолётов, летящих со скоростью 10-15 Махов, появились ещё в 1930-е годы. Однако тогда даже самые дальновидные конструкторы мало представляли, с какими трудностями придётся столкнуться идее, ДОЛЕТЕТЬ ДО ЛЮБОЙ ТОЧКИ НАШЕЙ ПЛАНЕТЫ ЗА ПОЛТОРА ЧАСА. На гиперзвуковых скоростях полёта в атмосфере кромки крыльев, воздухозаборников и других частей самолёта нагреваются до температуры плавления алюминиевых сплавов. Поэтому создание будущей гиперзвуковой авиации, целиком и полностью связано с химией, металлургией и разработкой новых материалов.
Советский сверхзвуковой пассажирский самолёт Ту-144 После посадки выпущены тормозные парашюты
Обычные реактивные двигатели на скорости ТРИ Маха становятся уже НЕ эффективными (смотри статью «Новинки авиации»). При дальнейшем увеличении скорости необходимо предоставить возможность самому НАБЕГАЮЩЕМУ ПОТОКУ воздуха выполнять, роль компрессора, сжимающего воздух. Для этого достаточно, ВХОДНУЮ ЧАСТЬ двигателя сделать СУЖАЮЩЕЙСЯ. При гиперзвуковой скорости полёта степень сжатия набегающего потока воздуха такова, что его температура становится 1 500 градусов. Двигатель превращается в так называемый ПРЯМОТОЧНЫЙ двигатель, вообще без вращающихся частей. Но при этом он действительно работает!
Американский экспериментальный гиперзвуковой самолет X-43A с ракетой разгонщиком Пегас прикреплённый к бомбардировщику В-52 находящемуся на земле
В своё время советский учёный Владимир Георгиевич Фрайнштадт занимался проблемами охлаждения керосином, летящих из космоса ядерных боеголовок. Теперь конструкторы всего мира, благодаря его исследованиям, используют эффект скачкообразного повышения энергии сгорания перегретого керосина за счёт использования, выделяющегося при таких высоких температурах ВОДОРОДА. Этот эффект даёт очень большую мощность двигателю, который обеспечивает гиперзвуковую скорость полёта. В 2004-м году американцы дважды устанавливали рекорды скорости беспилотных ракетопланов. Х-43А отцеплялся от реактивного бомбардировщика «В-52» на высоте 12 000 метров. Ракета «Пегас» разгоняла его до скорости ТРИ Маха, а затем Х-43А запускал свой двигатель. Максимальная скорость полёта Х-43А составляла 11 265 км/ч (3 130 м/с), что соответствует 9,5 скоростям звука. Полёт на максимальной скорости занимал 10 секунд на высоте 35 000 метров. На скорости 9,5 Махов полёт из Москвы в Нью-Йорк занял бы чуть меньше 43-х минут. Американские учёные продолжают двигать авиационную науку.
Американский экспериментальный гиперзвуковой самолет X-43A с ракетой разгонщиком Пегас прикреплённый к бомбардировщику В-52 в полёте
Американский экспериментальный гиперзвуковой самолет X-43A в полёте после отделения от В-52