Wyścig zbrojeń z prędkością naddźwiękową

2
Siły Powietrzne USA przetestowały X-51A Waverider, który zdołał osiągnąć prędkość 5 razy większą od prędkości dźwięku i był w stanie latać przez ponad 3 minuty, ustanawiając rekord świata wcześniej utrzymywany przez rosyjskich programistów. Test był ogólnie udany, hipersoniczny broń gotowy do wyścigu.

27 maja 2010 r. X-51A Waverider (w wolnym tłumaczeniu - falowiec, a w "nieświadomym" - surfer) został zrzucony z bombowca B-52 nad Oceanem Spokojnym. Górny stopień X-51A, zapożyczony ze znanej rakiety ATCAMS, sprowadził Waveridera na wysokość 19,8 tys. metrów, gdzie włączono hipersoniczny silnik strumieniowy (GPRVD lub scrumjet). Następnie rakieta wzniosła się na wysokość 21,3 tys. metrów i osiągnęła prędkość Mach 5 (5 M - pięć prędkości dźwięku). W sumie silnik rakietowy pracował przez około 200 sekund, po czym X-51A wysłał sygnał do samozniszczenia z powodu przerw w telemetrii. Zgodnie z planem rakieta miała rozwijać prędkość 6 Machów (według projektu prędkość Kh-51 wynosiła 7 Machów, czyli ponad 8000 km/h), a silnik miał działać przez 300 sekund.

Testy nie były doskonałe, ale to nie przeszkodziło im stać się wybitnym osiągnięciem. Czas pracy silnika był trzykrotnie wyższy od poprzedniego rekordu (77 s), który należał do sowieckiego (później rosyjskiego) laboratorium latającego „Kholod”. Mach 5 po raz pierwszy został osiągnięty na konwencjonalnych paliwach węglowodorowych, a nie na niektórych „wyłącznych” jak wodór. Waverider używał JP-7, nafty o niskiej lotności używanej w słynnym szybkim samolocie zwiadowczym SR-71.



Czym jest scrumjet i jakie są obecne osiągnięcia? Zasadniczo silniki strumieniowe (silniki strumieniowe) są znacznie prostsze niż zwykłe silniki turboodrzutowe (silniki turboodrzutowe). Silnik strumieniowy to tylko wlot powietrza (jedyna ruchoma część), komora spalania i dysza. Pod tym względem wypada korzystnie w porównaniu z turbinami odrzutowymi, w których wentylator, sprężarka i sama turbina są dodawane do tego podstawowego schematu, wynalezionego w 1913 roku, który połączonymi siłami kieruje powietrze do komory spalania. W silnikach strumieniowych funkcja ta jest realizowana przez sam przepływ powietrza, co natychmiast eliminuje potrzebę skomplikowanych konstrukcji pracujących w strumieniu gorących gazów i innych kosztownych przyjemności życia turboodrzutowego. Dzięki temu strumienie strumieniowe są lżejsze, tańsze i mniej wrażliwe na wysokie temperatury.

Jednak za prostotę trzeba zapłacić. Silniki o przepływie bezpośrednim są nieefektywne przy prędkościach poddźwiękowych (do 500-600 km / h w ogóle nie działają) - po prostu nie mają wystarczającej ilości tlenu, dlatego potrzebują dodatkowych silników, które rozpędzają urządzenie do efektywnych prędkości. Ze względu na to, że objętość i ciśnienie powietrza wchodzącego do silnika jest ograniczone jedynie średnicą wlotu powietrza, niezwykle trudno jest skutecznie kontrolować ciąg silnika. Silniki Ramjet są zwykle „ostrzone” dla wąskiego zakresu prędkości roboczych, a poza nim zaczynają zachowywać się niezbyt adekwatnie. Z powodu tych nieodłącznych wad przy prędkościach poddźwiękowych i umiarkowanych naddźwiękowych turboodrzutowych turboodrzutowych osiągach radykalnie przewyższają konkurentów strumieniowych.

Sytuacja zmienia się, gdy zwinność samolotu przekracza skalę Mach 3. Przy dużych prędkościach lotu powietrze jest tak mocno sprężone na wlocie silnika, że ​​nie ma potrzeby stosowania kompresora i innego sprzętu – a dokładniej stają się przeszkodą. Ale przy tych prędkościach naddźwiękowe silniki strumieniowe SPRVD („strumieniowe”) czują się świetnie. Jednak wraz ze wzrostem prędkości zalety wolnej „sprężarki” (naddźwiękowego przepływu powietrza) stają się koszmarem dla projektantów silników.

W silnikach turboodrzutowych i scramjet nafta spala się przy stosunkowo niskim natężeniu przepływu 0,2 M. Umożliwia to dobre wymieszanie powietrza i wtryskiwanej nafty, a tym samym wysoką wydajność. Ale im wyższa prędkość nadchodzącego przepływu, tym trudniej go spowolnić i tym większe straty związane z tym ćwiczeniem. Począwszy od 6 M przepływ musi zostać spowolniony 25-30 razy. Pozostaje tylko spalać paliwo w przepływie naddźwiękowym. Tu zaczynają się prawdziwe trudności. Kiedy powietrze wlatuje do komory spalania z prędkością 2,5-3 tys. " Jeszcze nie tak dawno uważano, że w przypadku nafty jest to niemożliwe.

Problemy twórców urządzeń hipersonicznych w żadnym wypadku nie ograniczają się do stworzenia działającego scramjeta. Muszą także pokonać tzw. barierę termiczną. Z tarcia o powietrze samolot nagrzewa się, a intensywność ogrzewania jest wprost proporcjonalna do kwadratu prędkości przepływu: jeśli prędkość się podwaja, ogrzewanie jest czterokrotnie. Nagrzewanie się samolotu w locie z prędkością ponaddźwiękową (zwłaszcza na małej wysokości) jest czasami tak duże, że prowadzi do zniszczenia konstrukcji i wyposażenia.

Podczas lotu z prędkością 3 M, nawet w stratosferze, temperatura krawędzi natarcia wlotu powietrza i krawędzi natarcia skrzydła wynosi ponad 300 stopni, a reszta skóry ponad 200. Aparatura z prędkością 2-2,5 razy większą nagrzeje się 4-6 razy mocniej. Jednocześnie szkło organiczne mięknie już w temperaturach około 100 stopni, przy 150 stopniach wytrzymałość duraluminium jest znacznie zmniejszona, przy 550 stopniach stopy tytanu tracą niezbędne właściwości mechaniczne, a przy temperaturach powyżej 650 stopni stopi się aluminium i magnez, stal zmiękcza.

Wysoki poziom ogrzewania można rozwiązać albo przez pasywną ochronę termiczną, albo przez aktywne odprowadzanie ciepła dzięki wykorzystaniu pokładowych rezerw paliwa jako chłodnicy. Problem w tym, że przy bardzo przyzwoitej zdolności „zachłodzenia” nafty – pojemność cieplna tego paliwa jest tylko o połowę mniejsza niż wody – nie toleruje wysokich temperatur, a ilości ciepła, które trzeba „przetrawić” są po prostu potworne.


Najprostszym sposobem rozwiązania obu problemów (spalania i chłodzenia naddźwiękowego) jest porzucenie nafty na rzecz wodoru. Ten ostatni jest stosunkowo chętny – w porównaniu oczywiście z naftą – pali się nawet w przepływie naddźwiękowym. Jednocześnie ciekły wodór z oczywistych względów jest również doskonałą chłodnicą, co pozwala nie stosować masywnej ochrony termicznej i jednocześnie utrzymać akceptowalną temperaturę na pokładzie. Ponadto wodór jest trzykrotnie lepszy od nafty pod względem wartości opałowej. Pozwala to podnieść granicę osiągalnych prędkości do 17 M (maksymalnie na paliwie węglowodorowym - 8 M) i jednocześnie uczynić silnik bardziej kompaktowym.

Nic dziwnego, że większość poprzednich bijących rekordy samolotów naddźwiękowych latała na wodorze. Paliwo wodorowe zostało wykorzystane przez nasze latające laboratorium Kholod, które do tej pory zajmuje drugie miejsce pod względem czasu trwania operacji scramjet (77 s). NASA zawdzięcza mu również rekord prędkości dla pojazdów odrzutowych: w 2004 roku bezzałogowy samolot hipersoniczny NASA X-43A osiągnął prędkość 11 265 km/h (czyli 9,8 M) na wysokości lotu 33,5 km.



Stosowanie wodoru prowadzi jednak do innych problemów. Jeden litr płynnego wodoru waży zaledwie 0,07 kg. Nawet biorąc pod uwagę trzykrotnie większą „energochłonność” wodoru, oznacza to czterokrotny wzrost objętości zbiorników paliwa przy tej samej ilości zmagazynowanej energii. Powoduje to zawyżenie rozmiarów i wagi urządzenia jako całości. Ponadto ciekły wodór wymaga bardzo specyficznych warunków pracy – „wszystkie okropności technologii kriogenicznych” plus specyfika samego wodoru – jest niezwykle wybuchowy. Innymi słowy, wodór jest doskonałym paliwem dla eksperymentalnych pojazdów i maszyn jednostkowych, takich jak bombowce strategiczne i samoloty zwiadowcze. Ale jako paliwo dla broni masowej, która może opierać się na konwencjonalnych platformach, takich jak normalny bombowiec lub niszczyciel, jest nieodpowiednia.

Tym bardziej znaczące jest osiągnięcie twórców X-51, którym udało się obejść bez wodoru, a jednocześnie osiągnąć imponujące prędkości i rekordowe osiągi pod względem czasu lotu z silnikiem strumieniowym. Rekord jest po części zasługą innowacyjnego schematu aerodynamicznego – ten sam waverider. Dziwny kanciasty kształt urządzenia, jego dziko wyglądająca konstrukcja tworzy system fal uderzeniowych, to one, a nie korpus urządzenia, stają się powierzchnią aerodynamiczną. W rezultacie siła nośna powstaje przy minimalnej interakcji nadchodzącego przepływu z samym ciałem, w wyniku czego intensywność jego ogrzewania gwałtownie spada.

Czarna, wysokotemperaturowa osłona termiczna z włókna węglowego i węglowego X-51 znajduje się tylko na samym „czubku” nosa i tylnej części spodu. Główna część ciała pokryta jest białą niskotemperaturową ochroną termiczną, co wskazuje na stosunkowo łagodny reżim grzewczy: i to na 6-7 M w dość gęstych warstwach atmosfery i nieuniknionych nurkowaniach w troposferze w kierunku celu.

Zamiast wodorowego „potwora” armia amerykańska nabyła praktyczne urządzenie napędzane paliwem lotniczym, które natychmiast przenosi je ze sfery zabawnego eksperymentu do sfery realnego użytku. Przed nami już nie pokaz technologii, ale prototyp nowej broni. Jeśli X-51A pomyślnie przejdzie wszystkie testy, za kilka lat rozpocznie się opracowywanie pełnoprawnej wersji bojowej X-51A +, wyposażonej w najnowocześniejszy elektroniczny farsz.



Według wstępnych planów Boeinga X-51A+ będzie wyposażony w urządzenia do szybkiej identyfikacji i niszczenia celów w obliczu aktywnej opozycji. Możliwość sterowania pojazdem za pomocą zmodyfikowanego interfejsu JDAM zaprojektowanego do celowania w precyzyjnie naprowadzaną amunicję pomyślnie przetestowano podczas wstępnych testów w zeszłym roku. Nowy falowiec idealnie pasuje do standardowych wymiarów dla amerykańskich pocisków rakietowych, czyli bezpiecznie mieści się w pionowych urządzeniach startowych na statkach, kontenerach transportowych i startowych oraz przedziałach bombowców. Należy zauważyć, że pocisk ATCAMS, z którego zapożyczono człon wspomagający dla Waveridera, jest bronią operacyjno-taktyczną używaną przez amerykańskie systemy rakiet wielokrotnego startu MLRS.



Tak więc 12 maja 2010 r. Stany Zjednoczone przetestowały nad Oceanem Spokojnym prototyp dość praktycznego naddźwiękowego pocisku manewrującego, sądząc po planowanym wypełnieniu, przeznaczonego do niszczenia wysoce chronionych celów naziemnych (szacowany zasięg - 1600 km). Być może z czasem zostaną do nich dodane powierzchniowe. Oprócz ogromnej prędkości takie pociski będą miały dużą siłę penetracji (nawiasem mówiąc, energia ciała przyspieszonego do 7 M jest praktycznie równoważna ładunkowi TNT o tej samej masie) i - ważną właściwością niestabilnych statycznie statków falowych - zdolność do bardzo ostrych manewrów.

Nie jest to jedyny obiecujący zawód dla broni naddźwiękowej.

W raportach Grupy Doradczej NATO ds. Badań i Rozwoju Przestrzeni Kosmicznej (AGARD) sporządzonych pod koniec lat 1990. zauważono, że pociski naddźwiękowe powinny mieć następujące zastosowania:

- pokonanie ufortyfikowanych (lub zakopanych) celów wroga i ogólnie złożonych celów naziemnych;

- obrona powietrzna;

- zdobycie przewagi powietrznej (takie pociski można uznać za idealny środek do przechwytywania wysoko latających celów powietrznych na duże odległości);

- obrona przeciwrakietowa – przechwytywanie odpalania rakiet balistycznych na początkowym odcinku trajektorii.

- używać jako wielokrotnego użytku drony zarówno do rażenia celów naziemnych, jak i do rozpoznania.

Wreszcie, jasne jest, że pociski hipersoniczne będą najskuteczniejszym, jeśli nie jedynym, antidotum na broń hipersoniczną.

Innym kierunkiem rozwoju broni hipersonicznej jest tworzenie małych silników scramjet na paliwo stałe montowanych w pociskach przeznaczonych do niszczenia celów powietrznych (kaliber 35-40 mm), a także pojazdów opancerzonych i fortyfikacji (kinetyczne ppk). W 2007 roku Lockheed Martin zakończył testy prototypu kinetycznego pocisku przeciwpancernego CKEM (Compact Kinetic Energy Missile). Taki pocisk na odległość 3400 m skutecznie zniszczył radziecki czołg T-72, wyposażony w zaawansowaną ochronę dynamiczną.

W przyszłości mogą pojawić się jeszcze bardziej egzotyczne konstrukcje, na przykład samoloty transatmosferyczne zdolne do lotów suborbitalnych na zasięgi międzykontynentalne. Całkiem istotne - i na krótką metę - manewrujące głowice hipersoniczne do pocisków balistycznych. Innymi słowy, w ciągu najbliższych 20 lat sprawy wojskowe zmienią się dramatycznie, a technologie naddźwiękowe staną się jednym z najważniejszych czynników tej rewolucji.
2 komentarz
informacja
Drogi Czytelniku, aby móc komentować publikację, musisz login.
  1. 0
    6 lipca 2012 12:48
    Musisz nadrobić zaległości
  2. Jurkin
    0
    23 sierpnia 2012 14:21
    i destylować