Сверхзвуковой и гиперзвуковой в чем разница
Не в нашу пользу: в чем разница между американской и российской гиперзвуковой ракетой
Виктор Кузовков
Министерство обороны США отчиталось об успешном завершении летных испытаний прототипов двух гиперзвуковых ракет. В связи с этим многие СМИ, как в России, так и в мире, поспешили сообщить о том, что американцы вот-вот догонят Москву в области гиперзвукового вооружения. Однако при более внимательном рассмотрении этой новости становится очевидно, что «все не так однозначно». Что именно вызывает сомнения? Что ж, давайте поговорим об этом…
Вообще, сама новость особых сомнений не вызывает – да, американцы вполне могли провести такие испытания, и они действительно могли оказаться успешными. Сомнения вызывают выводы, сделанные людьми, не очень хорошо понимающими происходящее. А именно вывод о том, что вооруженные силы США вот-вот получат на вооружение образцы перспективных гиперзвуковых ракет. Как минимум, такой вывод слишком поспешен, и вот почему…
Прежде всего, обратим внимание – испытания проводились в «тепличных» условиях, когда прототипы ракет были жестко прикреплены к фюзеляжу самолета-носителя. Что именно это был за носитель, не сообщается, но по опыту прежних испытаний мы можем с уверенностью говорить о том, что это был Б-52Н. О чем это нам говорит? Ну, хотя бы о том, что хотя ракеты и гиперзвуковые, ни о каком гиперзвуке на испытаниях не могло быть и речи – стратегический бомбардировщик Б-52, созданный после Второй мировой, в принципе не рассчитан на сверхзвуковые скорости, не говоря уж о гиперзвуковых. Грубо говоря, он бы просто развалился в воздухе, если бы вышел за пределы скорости 900-1000 километров в час.
Фактически, можно сказать, что были испытаны только двигатели ракет. Ничего другого испытать в таких условиях не получится – скорость не достигла пределов, на которых возникает облако радио непрозрачной плазмы, разогрев корпуса ракеты даже близко не достиг расчетных параметров, проверить важнейшие показатели, такие, как работа бортовой электроники в условиях перегрева и отсутствия связи с командными центрами было попросту невозможно. Как угодно, но от этого до серийно производящейся ракеты еще очень и очень далеко…
Российские конструкторы, как известно, пошли по другому пути – гиперзвуковая ракета просто забрасывается на высоты, где почти нет атмосферы (и сопротивления воздуха соответственно) и летит там большую часть своего маршрута. Подходя в район цели, российский «Кинжал» снижается и атакует цель на заявленных скоростях, которые пока недоступны системам ПВО.
С одной стороны, это неплохой способ обмануть потенциального противника. С другой – физику обмануть не удалось, и строго говоря, мы не можем признать наш «Кинжал» классической гиперзвуковой ракетой. С другой нашей нашумевшей гиперзвуковой разработкой, противокорабельной ракетой «Циркон», полной ясности пока нет, но есть серьезные основания думать, что там используется та же самая аэробаллистическая схема полета, со всеми её плюсами и минусами. А значит, наши огромные достижения в области гиперзвука, как минимум, несколько преувеличены.
Разумеется, с точки зрения «потребителя», то есть военных, особой разницы нет – если ракета летит с гиперзвуковой скоростью и может поражать цели, её можно назвать гиперзвуковой и принять на вооружение. Можно и гордиться ею, а почему нет? Примерно так же думают и обыватели – какая, действительно, разница, если противник все равно в панике?
Но разница, все-таки, есть, и весьма существенная. Прежде всего, могут значительно отличаться концепции применения таких ракет. Если американцы доведут свою программу до логического завершения, они действительно смогут создать низковысотную (а значит, очень скрытную) гиперзвуковую крылатую ракету. Если добавить к этому активно развивающиеся технологии «стелс», наш потенциальный противник получит великолепное средство нападения и сделает огромный шаг в направлении реализации своей концепции «Глобального обезоруживающего удара». Судите сами – при скорости от двух километров в секунду дальность десятиминутного полета такой ракеты составит 1200 километров. Полет будет проходить у поверхности, поэтому ракету будет сложно обнаружить (а если добавить к этому технологии «стелс», то не просто сложно, а очень сложно) и ещё сложнее сбить.
Фактически, постановка таких ракет на вооружение потребует от России громадных затрат на разработку новых систем ПВО, потому что классические окажутся, мягко говоря, не совсем готовы к новым возможностям средств поражения, имеющимся на вооружении противника. Это и новые ракеты для наземных ЗРК практически всех типов, и ракеты «воздух-воздух», способные догнать и сбить малозаметную низколетящую цель, и средства обнаружения, способные обнаружить такую ракету на дальностях, которые позволяют привести средства ПВО в боевую готовность до того, как она попадет в цель или исчезнет из пределов досягаемости.
Понятно, что Пентагону и DARPA (Управление перспективных исследований Минобороны США) ещё довольно далеко до создания серийных ракет, и упомянутые испытания четко говорят об этом. Фактически, был испытан только воздушно-реактивный двигатель «в обстановке, приближенной к боевой». То есть, был обеспечен нужный набегающий поток воздуха, минимально необходимый для функционирования таких двигателей, обеспечена штатная работа в условиях вибраций, неравномерного нагрева и другие важные, но далеко не главные для достижения гиперзвука условия. Но американцы уже проводили и полноценные летные испытания прототипов гиперзвуковых ракет. На наше счастье, полностью успешным не было ни одно такое испытание – ракеты либо теряли связь с землей из-за облака плазмы, которое окутывало их, либо разрушались из-за нагрева обшивки.
И все-таки отмахнуться от этих испытаний и перспектив, которые они перед нами ставят, нельзя. Национальная оборона является как раз той областью, где исходить лучше всегда из худшего, а провоцировать противника своей слабостью категорически не рекомендуется.
Наверное, мне могут возразить – а какая, дескать, разница для нашей безопасности? Так или иначе, у нас свой гиперзвук есть, если что, сможем ответить супостату… В таких рассуждениях, к сожалению, упускается один принципиальный момент: американские ударные самолеты базируются у нас под боком, нам же до территории США лететь и лететь. Американцы, если им удастся реализовать свои идеи, действительно смогут обезоружить нас, ударив по местам базирования наших межконтинентальных баллистических ракет и стратегической авиации. Мы же при таком раскладе ответить по территории США не сможем вообще, даже самыми совершенными «Кинжалами» и «Цирконами»…
В двадцать раз быстрее звука
Так может выглядеть отделение гиперзвукового летательного аппарата от ракеты-носителя.
Фото с сайта www.darpa.mil
СВЕРХЗВУК И ГИПЕРЗВУК
В описании характеристик скоростных летательных аппаратов используется число Маха, названное так по фамилии австрийского ученого Эрнста Маха (нем. E. Mach). Число это не имеет строго определенного цифрового значения, а в упрощенном виде является отношением скорости тела (летательного аппарата) к скорости звука в данной воздушной среде. Для приближенных расчетов число Маха (М) на высотах до 10 тыс. м принимается за 1,1–1,2 тыс. км/час.
Деление летательных аппаратов (ЛА) на дозвуковые, сверхзвуковые и гиперзвуковые отнюдь не условно, а имеет четкие физические основания. И эти три класса летательных аппаратов имеют принципиальные отличия. Сверхзвуковые ЛА могут летать со скоростью не свыше 5 М. Гиперзвуковые ЛА имеют скорость полета свыше 5 М. При этом они способны переходить к динамическому планированию на большие дальности при сохранении высокой скорости.
В США агентство передовых оборонных исследовательских проектов DARPA провело в 2003 году тендер на выполнение эскизных работ по разработке гиперзвукового летательного аппарата Falkon («Сокол»). Девять компаний получили контракты от 350 тыс. до 540 тыс. долл. На следующем этапе в том же году контракты на разработку гиперзвукового транспортного средства стоимостью от 1,2 млн. до 1,5 млн. долл. получили корпорации Andrews Space Inc. (Сиэтл), Lockheed Martin Aeronautics Co. (Палмдейл, Калифорния) и Northrop Grumman Corp. (Эль-Сегундо, Калифорния).
В рамках проекта Falkon ставились следующие задачи:
– создание единой воздушной платформы X-41/Х-43А Common Aero Vehicle (CAV) для гиперзвуковой межконтинентальной баллистической ракеты и крылатой ракеты, а также для гражданского использования;
– создание технологической концепции Hypersonic Technology Vehicle 1 (HTV-1) и ее последующего летного испытания в сентябре 2007 года (отменена);
– создание прототипа Hypersonic Technology Vehicle 2 (HTV-2) с испытанием 22 апреля 2010 года (состоялись, но неудачно);
– создание Hypersonic Technology Vehicle (HTV-3) Blackswift (проект отменен);
– создание малого носителя (ракеты-носителя) SLV и малогабаритного двигателя для проекта Х-41 CAV.
Одной из задач было создание крылатой ракеты Hypersonic Cruise Vehicle (HCV), способной за два часа преодолеть 9 тыс. морских миль (17 тыс. км) и доставить головную часть массой 12 тыс. фунтов (5500 кг). При этом полет должен происходить на очень большой высоте на скорости до 20 М.
Проект HTV-3Х Blackswift предназначался для демонстрации полета и отработки комбинированной двигательной установки из турбины и прямоточного воздушно-реактивного двигателя. Турбина должна была разогнать аппарат до примерно 3 М, а прямоточный воздушно-реактивный двигатель – до 6 М. К разработке привлекли корпорации Lockheed Martin Skunk Works, Boing, ATK. К сотрудничеству пригласили также крупнейшего производителя авиадвигателей Pratt & Whitney.
Главной задачей, по словам заместителя директора DARPA доктора Стивена Уолкера, было преодоление скептицизма – показ реально летающего гиперзвукового аппарата. Это помимо отработки технологий и тестирования конструкционных материалов. В перспективе речь шла о создании гиперзвукового пилотируемого летательного аппарата, способного взлетать по-самолетному с взлетно-посадочной полосы в США и через час-два приземляться в любой точке земного шара на такую же полосу. Однако на 2009 год программа HTV-3Х Blackswift не получила финансирования, и проект оказался закрыт.
Пока все испытательные полеты прототипов и экспериментальных моделей производятся с помощью самолетов или ракет-носителей – вертикальный старт с переходом на большой высоте к горизонтальному полету со сверхзвуковой скоростью. Дальнейший разгон до гиперзвуковой скорости, отделение летательного аппарата от носителя и его планирующий динамический полет с сохранением гиперзвуковой скорости. Для этого аппарат имеет треугольное крыло. Похожи ли реальные аппараты на те картинки, которые размещены в СМИ, этот вопрос остается открытым. Если и похожи, то скорее всего весьма отдаленно.
Корпорация Boeing, занимающаяся разработкой гиперзвукового летательного аппарата X-51A Waverider («Волнолет»), построила четыре прототипа. Согласно проекту, Х-51А должен развивать скорость до 7 М. После испытаний должно быть принято решение о дальнейшем финансировании проекта или его прекращении. Сам Boeing высказывал намерение построить еще два образца для дополнительных летных тестов. Все прототипы – одноразовые. После завершения полета они будут падать в океан и восстановлению не подлежат.
Впервые образец X-51A поднялся в воздух в декабре 2009 года в качестве подвесного груза под крылом бомбардировщика B-52. В ходе экспериментального полета проводилось исследование влияния подвешенной ракеты на управляемость самолета, а также взаимодействие электронных систем X-51A и B-52. Полет длился 1,4 часа.
Первый самостоятельный испытательный полет X-51A состоялся 26 мая 2010 года. Бомбардировщик B-52 Stratofortress с X-51A на высоте 15 тыс. м над Тихим океаном сбросил подвешенную под крыло ракету. После этого разгонная ступень Waverider (ракетные ускорители) вывела аппарат на высоту в 19,8 тыс. м и разогнала ее до 4,8 М. Скорость в 5 М была достигнута на высоте в 21,3 тыс. м.
После этого включился гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель производства Pratt & Whitney Rocketdyne. Для запуска в качестве топлива использовался этилен. После этого двигатель перешел на топливо JP-7 (Jet Propellant 7, MIL-T-38219) – сложную смесь углеводородов, включая нафталин, с добавлением смазочных фторуглеродов и окислителя. Но на 110-й секунде полета произошел сбой. Однако работа двигателя восстановилась, полет продолжился, пока на 143-й секунде не случился окончательный отказ. Связь прервалась на три секунды, и операторы передали команду на самоуничтожение. Скорость в 6 М набрать не удалось. Впрочем, звучали заявления, что на первый полет ставилась задача набрать скорость только в 4,5–5 М.
Планировалось, что полет продлится 250 секунд. Израсходована была половина топлива, а причиной сбоя работы двигателя признали плохое уплотнение топливной системы. В целом испытания сочли вполне удавшимися, а результат назвали превосходным. По мнению специалистов, аппарат выполнил 90% поставленных задач. В ходе полета выяснилось, что ракета не способна разгоняться так быстро, как ожидалось, и нагревается гораздо больше, чем рассчитывали. Также происходили перебои со связью и передачей телеметрии.
По словам представителя исследовательской лаборатории ВВС США, первый полет X-51A «получил твердую четверку», а в следующий раз получит пятерку. На тот момент даже такой короткий полет аппарата нового типа выглядел победой. Ведь предыдущий рекорд длительности полета на гиперзвуковой скорости составлял всего 12 секунд. Это произошло 27 марта 2004 года при испытаниях экспериментального образца Х-43А. Тогда также использовался самолет-носитель В-52, а для разгона применили крылатую ракету Pegasus («Пегас»). Старт производился на высоте 12 км. Отделение аппарата от «Пегаса» произошло на высоте 29 км, затем включился прямоточный воздушно-реактивный двигатель, работавший 10 секунд. При скоростном планировании со снижением удалось достичь скорость в 7 М, то есть 8350 км/час. По другим данным, скорость Х-43А составила 11 265 км/ч (или 9,8 М) на высоте полета 33,5 км. Которая цифра более реальна, судить трудно, но эксперты ориентируются на меньшую. Результаты эксперимента открыли дорогу следующему проекту – Х-51А.
Во время вторых испытаний Х-51А 13 июня 2011 года история с отказом двигателя повторилась. Но в этот раз перезапустить его не удалось, и аппарат упал в воды Тихого океана возле побережья Калифорнии. И это уже было расценено как серьезная задержка в создании действующего образца. По всей видимости, проблема в прямоточном двигателе. Теперь придется понять причины сбоя, переработать конструкцию и построить новый двигатель. На это могут понадобиться годы.
Первый гиперзвуковой испытательный полет тестового летательного аппарата по проекту Falcon HTV-2 (Force Application and Launch from Continental United States Hypersonic Technology Vehicle) состоялся 20 апреля 2010 года. Согласно полетному заданию, HTV-2 стартовал с базы ВВС США «Ванденберг» с помощью ракеты-носителя Minotaur IV. Это конверсионный вариант МБР МХ. Экспериментальный аппарат должен был пролететь за полчаса 4100 морских миль (7600 км) и упасть в районе полигона имени Рейгана – атолла Кваджалейн (Маршалловы острова). Согласно опубликованным данным ВВС США, ракета-носитель вывела HTV-2 в верхние слои атмосферы и предположительно разогнала до скорости 20 М – около 23 тыс. км/час. При этом связь с аппаратом была утеряна, телеметрическая информация перестала поступать. Предполагается, что нарушилась стабилизация и аппарат разрушился, входя в более плотные слои атмосферы.
Наиболее вероятной причиной неудачи в DARPA посчитали ошибку с определением центра тяжести аппарата, недостаточную подвижность рулей высоты и стабилизаторов, а также отказ системы управления. При компьютерном моделировании полета появилась версия, что аппарат начал закручиваться вдоль продольной оси, система управления не смогла его стабилизировать и, когда вращение достигло некоего предела, ракета самоуничтожилась.
Главная задача экспериментов с Falcon HTV-2 – проверка технологии теплозащиты корпуса и систем управления. В конструкцию следующего аппарата внесли ряд изменений – сместили центр тяжести, добавили миниатюрные реактивные двигатели для ускоренного разворота. Второе испытание Falcon HTV-2 состоялось 11 августа 2011 года. Выход в верхние слои атмосферы, отделение от ракеты-носителя на скорости 20 М и переход к планированию прошли без сбоев. Однако при скользящем планировании начался разогрев оболочки до температуры близкой к 2000 градусов Цельсия. Полет должен был продлиться 30 минут, но через девять минут аппарат потерял стабильность полета, стал непредсказуемо кувыркаться, начались перебои связи, и последовала команда на самоуничтожение.
17 ноября 2011 года состоялся старт третьего прототипа Falcon HTV-2. Как и в предыдущих случаях, аппарат был запущен ракетой-носителем Minotaur IV, затем разогнан ракетным ускорителем AHW. Обычная боеголовка после этого летит по баллистической траектории. HTV-2 скользил в верхних слоях атмосферы на гиперзвуке. Запуск производился с полигона Pacific Missile Range на Гавайях. Примерно через полчаса аппарат, преодолев 3700 км, упал в воду в районе атолла Кваджалейн на полигоне Reagan Test Site (имени Рейгана). Эти испытания с полным основанием были признаны успешными.
В официальном заявлении Пентагона по итогам испытаний сообщалось: «Цель испытаний – сбор данных по проверке работоспособности гиперзвуковых технологий в условиях продолжительного полета в атмосфере. Упор делался на аэродинамические качества аппарата, его системы наведения, управления и контроля, а также теплозащитное покрытие. Полученная информация будет использована для усовершенствования гиперзвукового летательного аппарата».
Даёшь « гиперзвук» — или нет?
Что такое гиперзвук? Для начала определимся: правильно было бы сказать « гиперзвуковая скорость». Проблема в том, что слово « гиперзвук» обозначает также упругие волны, подобные просто звуковым и ультразвуковым. Но мы ведь имеем в виду аэродинамику и, чтобы не путаться в терминах, будем говорить « гиперзвуковая скорость».
В аэродинамике « гиперзвуковая скорость» значительно превосходит скорость звука — по аналогии со сверхзвуком, только ещё быстрее.
Где-то с семидесятых годов прошлого века устоялась следующая градация: до одного Маха — дозвуковая скорость, от одного до пяти Махов — сверхзвуковая, более пяти Махов — гиперзвук.
Число Маха ( М) в нашем контексте проще всего определить как отношение скорости тела к скорости звука в окружающей среде. Когда скорость летательного аппарата достигает М=1, это означает, что его скорость сравнялась со скоростью звука.
« Так в чём тогда соль?» — спросит внимательный читатель. Раз гиперзвука достигли в сороковых годах, и все баллистические ракеты его достигают — в чём тут интерес и новшество? Проблема в том, что ракеты пусть и развивают гиперзвуковую скорость, но летят в этот момент по баллистической траектории, активно не маневрируют и вообще лишний раз стараются не шелохнуться… это чревато катастрофой.
А вот создание крылатой ракеты или летательного аппарата, способного перемещаться на гиперзвуковых скоростях и маневрировать, стало серьёзнейшей задачей, над решением которой до сих пор бьются конструкторы и инженеры.
Гиперзвуковой летательный аппарат
Начнём с управляемости и создания пилотируемого летательного аппарата, способного двигаться на гиперзвуковой скорости, тормозить и осуществлять посадку.
Первыми этого добились американцы, создав в 1959 году самолёт-ракетоплан X-15. Само слово ракетоплан прозрачно намекает, что речь идёт о ракете с крылышками. Так и есть, X-15 — это глубокая переработка идей и чертежей немецких ракетчиков 1940-х годов. Многие параметры весьма схожи с ракетой « Фау-2». Зато у американцев внутри сидел пилот, а не банальная боеголовка.
X-15 стартовала из-под крыла стратегического бомбардировщика B-52 на высоте порядка 15 километров, затем запускался ракетный двигатель, поднимавший ракетоплан до практического потолка, после чего следовали баллистический спуск, торможение и посадка на аэродроме. Всего прошло чуть меньше двухсот полётов.
Так что гиперзвуковые скорости покорились человечеству почти шестьдесят лет назад.
Гиперзвуковой двигатель
Когда в настоящее время говорят о современных гиперзвуковых аппаратах, имеют в виду летательные аппараты, оснащённые гиперзвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателем.
Тут всё просто. Есть классический жидкостный ракетный двигатель, в котором топливо и окислитель « везутся с собой» в двух разных баках. Летательный аппарат может достигать гиперзвуковой скорости, но он, увы, дорогой, сложный и ОЧЕНЬ неэкономичный. На современных самолётах стоят турбореактивные двигатели. В них в качестве окислителя в процессе горения используется атмосферный воздух, за счёт чего они гораздо легче и экономичней ( по сравнению с ракетным двигателем, конечно). К сожалению, эти двигатели теряют эффективность на скоростях более М 3.
Для достижения максимальных сверхзвуковых скоростей используют прямоточный воздушно-реактивный двигатель. В нём нет турбины, и он малоэффективен на низких скоростях полёта, зато может достигать больших максимальных скоростей. Но даже с его помощью добраться до гиперзвуковой скорости нереально. Знаменитый Lockheed SR-71 имел именно такую схему: турбореактивный двигатель, способный на больших скоростях работать как прямоточный, однако и он достиг максимальной скорости лишь около 3,4 чисел Маха.
Для совершения дальних и экономичных атмосферных полётов на гиперзвуковой скорости создали гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель. Он также использует в качестве окислителя атмосферный воздух. При этом воздух, поступающий в воздухозаборник, тормозится до сверхзвуковой скорости, участвует в процессе сгорания топлива и выходит через сопло, создавая реактивную тягу.
Проблема гиперзвука
Всё прекрасно, кроме одного: работает такой двигатель на скоростях выше шести-восьми чисел Маха. При меньшей скорости он просто не запустится, или двигатель сдетонирует. Узнать его можно по воздухозаборнику, больше похожему на модный ручной пылесос.
В настоящее время основная проблема конструкторов — преодоление « разрыва» между максимальной скоростью прямоточного воздушно-реактивного двигателя и минимальной скоростью работы гиперзвукового.
Есть различные разработки, в том числе и установка третьего « промежуточного» двигателя, который может обеспечить нужный разгон во время « разрыва». Впрочем, пока широкой публике сообщают только об испытаниях подобных двигателей.
В 1950–60-е годы существовали проекты ядерных прямоточных воздушно-реактивных двигателей, также обещавшие достижение скоростей в районе М 3 — М 4. Наиболее известен проект двигателя « Плутон» для Вот американцы, например, поставили реактор на крылатую ракету. Зачем, и что из этого вышло? Сейчас расскажем.
‘ title=>сверхзвуковой крылатой ракеты неограниченной дальности SLAM.
Противокорабельная ракета « Циркон»
До настоящего времени самой известной гиперзвуковой российской разработкой была противокорабельная ракета « Циркон». Точных данных нет, но скорее всего, она имеет гибридную силовую установку — ракетный двигатель, выводящий ракету на скорости работы гиперзвукового двигателя, — и ГПРВД ( гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель), работающий большую часть времени полёта ракеты. В пользу этой версии говорит её шахтное размещение. Предполагается использовать « Циркон» на российских боевых кораблях и подлодках нового поколения.
Что характерно, несмотря на сообщения об удачных испытаниях, российскую ракету широкой публике так и не показали. Чаще всего для её иллюстрации использовали картинку с изображением американской разработки Boeing Х-51 ( да-да, тот самый автомобильный пылесос).
Подведение итогов
Противокорабельную ракету « « Кинжал»?’ data-src=/system/images/000/090/270/teaser/8c304c6eba70db2122965262ec751912fa78c4c7.jpg?1579248442 data-lead=’Ракетный комплекс « Кинжал» реален. Однако вопросы его происхождения остаются открытыми. Прототип ракеты уже удалось установить. Но что лежит в основе носителя? У нас есть одно предположение.
‘ title=>Кинжал», созданную на базе ракеты « Искандер», бессмысленно называть гиперзвуковой. Да, во время полёта она достигает скорости более пяти чисел Маха, но при этом летит по аэробаллистической траектории. Также нет смысла говорить о гиперзвуковой скорости, описывая стратегический ракетный комплекс « Сармат». Как и большинство баллистических ракет, он развивает гиперзвуковую скорость — и это нормально.