Гиперзвук. Это сколько? Сверхзвуковая скорость Тонкий слой ударной волны

Обычный пассажирский самолет летает со скоростью порядка 900 км/час. Реактивный военный истребитель может развивать примерно втрое большую скорость. Однако современные инженеры из РФ и других стран мира активно разрабатывают еще более скоростные машины — гиперзвуковые самолеты. В чем специфика соответствующих концепций?

Критерии гиперзвукового самолета

Что такое гиперзвуковой самолет? Под таковым принято понимать аппарат, способный летать со скоростью, многократно превышающий таковую для звука. Подходы исследователей к определению конкретного ее показателя разнятся. Распространена методология, по которой самолет следует считать гиперзвуковым, если он кратно превышает скоростные показатели самых быстрых современных сверхзвуковых аппаратов. Которые составляют порядка 3-4 тыс. км/ч. То есть гиперзвуковой самолет, если придерживаться данной методологии, должен развивать скорость от 6 тыс. км/ч.

Беспилотные и управляемые аппараты

Подходы исследователей могут разниться также в аспекте определения критериев отнесения того или иного аппарата к самолетам. Есть версия, что к таковым правомерно относить только те машины, которые управляются человеком. Есть точка зрения, по которой самолетом также можно считать и беспилотный аппарат. Поэтому некоторые аналитики классифицируют машины рассматриваемого типа на те, что подлежат управлению человеком, и те, которые функционируют автономно. Подобное деление может быть оправдано, поскольку беспилотные аппараты могут обладать намного более внушительными техническими характеристиками, например, в части перегрузок и скорости.

Вместе с тем многие исследователи рассматривают гиперзвуковые самолеты как единую концепцию, для которой ключевой показатель — скорость. Неважно, сидит ли за штурвалом аппарата человек либо машина управляется роботом — главное, чтобы самолет был в достаточной мере быстрым.

Взлет — самостоятельный или с посторонней помощью?

Распространена классификация гиперзвуковых летательных аппаратов, в основе которой — отнесение их к категории тех, что способны взлетать самостоятельно, либо тех, которые предполагают размещение на более мощном носителе — ракете либо грузовом самолете. Есть точка зрения, по которой к аппаратам рассматриваемого типа правомерно относить главным образом те, что способны взлетать самостоятельно либо при минимальном задействовании иных типов техники. Однако те исследователи, которые считают, что основной критерий, характеризующий гиперзвуковой самолет, — скорость, должен быть первостепенным при любой классификации. Будь то отнесение аппарата к беспилотным, управляемым, способным взлетать самостоятельно либо с помощью других машин — если соответствующий показатель достигает указанных выше значений, то значит, речь идет о гиперзвуковом самолете.

Основные проблемы гиперзвуковых решений

Концепциям гиперзвуковых решений — много десятилетий. На протяжении всех лет разработки соответствующего типа аппаратов мировые инженеры решают ряд существенных проблем, объективно мешающих поставить выпуск «гиперзвука» на поток — подобно организации производства турбовинтовых самолетов.

Основная сложность в конструировании гиперзвуковых самолетов — создание двигателя, способного быть в достаточной мере энергоэффективным. Другая проблема — выстраивание необходимой аппарата. Дело в том, что скорость гиперзвукового самолета в тех значениях, что мы рассмотрели выше, предполагает сильный нагрев корпуса за счет трения об атмосферу.

Сегодня мы рассмотрим несколько образцов удачных прототипов летательных аппаратов соответствующего типа, разработчики которых смогли значительно продвинуться вперед в части успешного решения отмеченных проблем. Изучим теперь наиболее известные мировые разработки в части создания гиперзвуковых летательных аппаратов рассматриваемого типа.

от Boeing

Самый быстрый гиперзвуковой самолет в мире, как считают некоторые эксперты, это американский Boeing X-43A. Так, в ходе тестирования данного аппарата было зафиксировано, что он достигал скорости, превышающей 11 тыс. км/час. То есть примерно в 9,6 раза быстрее

Чем особенно примечателен гиперзвуковой самолет X-43A? Характеристики данного летательного аппарата таковы:

Предельная скорость, зафиксированная на тестах, - 11 230 км/час;

Размах крыльев - 1,5 м;

Длина корпуса - 3,6 м;

Двигатель - прямоточный, Supersonic Combustion Ramjet;

Топливо - атмосферный кислород, водород.

Можно отметить, что рассматриваемый аппарат относится к самым экологичным. Дело в том, что используемое топливо практически не предполагает выделения вредных продуктов горения.

Гиперзвуковой самолет X-43A был разработан совместными усилиями инженеров NASA, а также компаний Orbical Science Corporation и Minocraft. создавался порядка 10 лет. В его разработку было вложено около 250 млн. долларов. Концептуальная новизна рассматриваемого самолета в том, что он был задуман с целью испытания новейшей технологии обеспечения работы двигательной тяги.

Разработка от Orbital Science

Компания Orbital Science, которая, как мы отметили выше, приняла участие в создании аппарата X-43A, успела также создать свой гиперзвуковой самолет — X-34.

Его предельная скорость — более 12 тыс. км/ч. Правда, в ходе практических тестов она не была достигнута — более того, не удалось достичь показателя, который показан самолетом X43-A. Рассматриваемый летательный аппарат ускоряется при задействовании ракеты «Пегас», функционирующей на твердом топливе. Машина X-34 была впервые испытана в 2001 году. Рассматриваемый самолет ощутимо больше аппарата от Boeing — его длина составляет 17,78 м, размах крыльев — 8,85 м. Максимальная высота полета гиперзвуковой машины от Orbical Science — 75 километров.

Летательный аппарат от North American

Еще один известный гиперзвуковой самолет — X-15, выпущенный компанией North American. Данный аппарат аналитики относят к экспериментальным.

Он оснащен что дает повод некоторым экспертам не относить его, собственно, к классу самолетов. Однако наличие ракетных двигателей позволяет аппарату, в частности, совершать Так, во время одного из испытаний в таком режиме он был протестирован пилотами. Предназначение аппарата X-15 — исследование специфики гиперзвуковых полетов, оценка тех или иных конструкторских решений, новых материалов, особенностей управления подобными машинами в различных слоях атмосферы. Примечательно, что была утверждена еще в 1954 году. Летает X-15 со скоростью более 7 тыс. км/час. Дальность его полета — более 500 км, высота превышает 100 км.

Самые быстрые серийные самолеты

Изученные нами выше гиперзвуковые аппараты фактически относятся к категории исследовательских. Полезно будет рассмотреть некоторые серийные образцы самолетов, приближенных по характеристикам к гиперзвуковым или являющихся (по той или иной методологии) ими.

В числе подобных машин — американская разработка SR-71. Данный самолет некоторые исследователи не склонны относить к гиперзвуковым, поскольку его предельна скорость составляет порядка 3,7 тыс. км/час. В числе наиболее примечательных его характеристик — взлетная масса, которая превышает 77 тонн. Длина аппарата — более 23 м, размах крыльев — более 13 м.

Одним из самых быстрых военных самолетов считается российский МиГ-25. Аппарат может развивать скорость более 3,3 тыс. км/ч. Максимальный взлетный вес российского самолета — 41 тонна.

Таким образом, на рынке серийных решений, приближенных по характеристикам к гиперзвуковым, РФ — в числе лидеров. Но что можно сказать о российских разработках в части «классических» гиперзвуковых самолетов? Способны ли инженеры из РФ создать решение, конкурентное машинам от Boeing и Orbital Scence?

Российские гиперзвуковые аппараты

В данный момент российский гиперзвуковой самолет находится в стадии разработки. Но идет она достаточно активно. Речь идет о самолете Ю-71. Его первые испытания, судя по сообщениям в СМИ, были проведены в феврале 2015 года под Оренбургом.

Предполагается, что самолет будет использоваться в военных целях. Так, гиперзвуковой аппарат сможет при необходимости осуществлять доставку поражающих средств на значительные расстояния, вести мониторинг территории, а также задействоваться как элемент штурмовой авиации. Некоторые исследователи полагают, что в 2020-2025 гг. в РВСН поступит порядка 20 самолетов соответствующего типа.

В СМИ есть сведения о том, что рассматриваемый гиперзвуковой самолет России будет размещаться на баллистической ракете «Сармат», которая также находится на стадии проектирования. Некоторые аналитики считают, что разрабатываемый гиперзвуковой аппарат Ю-71 — это не что иное, как боеголовка, которая должна будет отделяться от баллистической ракеты на конечном участке полета, чтобы затем, благодаря высокой, характерной для самолета маневренности, преодолевать системы ПРО.

Проект «Аякс»

В числе наиболее примечательных проектов, связанных с разработкой гиперзвуковых самолетов, — «Аякс». Изучим его подробнее. Гиперзвуковой самолет «Аякс» — концептуальная разработка советских инженеров. В научной среде разговоры о ней начались еще в 80-е годы. В числе наиболее примечательных характеристик — наличие системы тепловой защиты, которая призвана защищать корпус от перегрева. Таким образом, разработчики аппарата «Аякс» предложили решение одной из «гиперзвуковых» проблем, обозначенных нами выше.

Традиционная схема тепловой защиты летательных машин предполагает размещение на корпусе особых материалов. Разработчики «Аякса» предложили иную концепцию, по которой предполагалось не защищать аппарат от внешнего нагрева, а впускать тепло внутрь машины, одновременно увеличивая ее энергоресурс. Основным конкурентом советского аппарат считался гиперзвуковой самолет «Аврора», создаваемый в США. Однако в связи с тем, что конструкторы из СССР существенно расширили возможности концепции, на новую разработку был возложен самый широкий круг задач, в частности, исследовательских. Можно сказать, что «Аякс» — гиперзвуковой многоцелевой самолет.

Рассмотрим более подробно технологические новшества, предложенные инженерами из СССР.

Итак, советские разработчики «Аякса» предложили использовать тепло, возникающее как результат трения корпуса самолета об атмосферу, преобразовывать в полезную энергию. Технически это могло быть реализовано посредством размещения на аппарате дополнительных оболочек. В результате формировалось что-то вроде второго корпуса. Его полость предполагалось заполнить неким катализатором, например, смесью горючего материала и воды. Теплоизолирующий слой, изготовленный из твердого материала, в «Аяксе» предполагалось заменить на жидкостный, который, с одной стороны, должен был защищать двигатель, с другой — способствовал бы каталитической реакции, которая, между тем, могла сопровождаться эндотермическим эффектом — перемещением тепла с наружной части корпуса внутрь. Теоретически охлаждение внешних частей аппараты могло быть каким угодно. Избыточное тепло, в свою очередь, предполагалось задействовать с целью повышения эффективности работы двигателя самолета. При этом данная технология позволяла бы генерировать вследствие реакции топлива и виды свободный водород.

В данный момент доступные широкой публике сведения о продолжении разработки «Аякса» отсутствуют, однако исследователи считают весьма перспективным внедрение советских концепций в практику.

Китайские гиперзвуковые аппараты

Конкурентом России и США на рынке гиперзвуковых решений становится Китай. В числе самых известных разработок инженеров из КНР — летательный аппарат WU-14. Он представляет собой гиперзвуковой управляемый планер, размещаемый на баллистической ракете.

МБР запускает летательный аппарат в космос, откуда машина резко пикирует вниз, развивая гиперзвуковую скорость. Китайский аппарат может монтироваться на разных МБР, обладающих дальностью от 2 до 12 тыс. км. Установлено, что в ходе тестов аппарат WU-14 смог развить скорость, превышающую 12 тыс. км/ч, превратившись, таким образом, в самый быстрый гиперзвуковой самолет по версии некоторых аналитиков.

Вместе с тем многие исследователи считают, что китайскую разработку не вполне правомерно относить к классу самолетов. Так, распространена версия, по которой аппарат следует классифицировать именно как боеголовку. Причем весьма эффективную. При полете вниз с отмеченной скоростью даже самые современные системы ПРО не смогут гарантировать перехвата соответствующей цели.

Можно отметить, что разработками гиперзвуковых аппаратов, задействуемых в военных целях, занимаются также Россия и США. При этом российская концепция, по которой предполагается создавать машины соответствующего типа, значительно отличается, как свидетельствуют данные в некоторых СМИ, от технологических принципов, реализуемых американцами и китайцами. Так, разработчики из РФ концентрируют усилия в области создания летательных аппаратов, оснащенных прямоточным двигателем, способных запускаться с земли. Россия планирует сотрудничество в этом направлении с Индией. Гиперзвуковые аппараты, создаваемые по российской концепции, как считают некоторые аналитики, характеризуются меньшей стоимостью и более широкой областью применения.

Вместе с тем гиперзвуковой самолет России, о котором мы сказали выше (Ю-71), предполагает, как считают некоторые аналитики, как раз-таки размещения на МБР. Если этот тезис окажется верным, то можно будет говорить о том, что инженеры из РФ работают сразу по двум популярным концептуальным направлениям в строительстве гиперзвуковых летательных аппаратов.

Резюме

Итак, вероятно, самый быстрый гиперзвуковой самолет в мире, если говорить о летательных аппаратах безотносительно их классификации, это все же китайский аппарат WU-14. Хотя нужно понимать, что реальные сведения о нем, в том числе касающиеся испытаний, могут быть засекречены. Это вполне соответствует принципам китайских разработчиков, которые часто во что бы то ни стало стремятся сохранить свои военные технологии в тайне. Скорость самого быстрого гиперзвукового самолета — более 12 тыс. км/ч. Его «догоняет» американская разработка X-43A — многие эксперты считают самым скоростным именно его. Теоретически гиперзвуковой самолет X-43A, а также китайский WU-14 может догнать разработка от Orbical Science, рассчитанная на скорость более 12 тыс. км/ч.

Характеристики российского самолета Ю-71 пока что не известны широкой публике. Вполне возможно, что они будут приближены к параметрам китайского летательного аппарата. Российские инженеры также ведут разработки по гиперзвуковому самолету, способному взлетать не на базе МБР, а самостоятельно.

Текущие проекты исследователей из России, Китая и США так или иначе связаны с военной сферой. Гиперзвуковые самолеты, безотносительно их возможной классификации, рассматриваются в первую очередь как носители вооружений, скорее всего, ядерных. Однако в работах исследователей из различных стран мира встречаются тезисы о том, что «гиперзвук», подобно атомным технологиям, вполне может быть мирным.

Дело за появлением доступных и надежных решений, позволяющих организовать серийное производство машин соответствующего типа. Использование подобных аппаратов возможно в самом широком спектре отраслей хозяйственного развития. Наибольшую востребованность гиперзвуковые летательные аппараты, вероятно, найдут в космической и исследовательской индустрии.

По мере удешевления технологий производства соответствующих машин заинтересованность в инвестировании в подобные проекты могут начать проявлять транспортные бизнесы. Промышленные корпорации, поставщики различных сервисов могут начать рассматривать «гиперзвук» как инструмент повышения конкурентоспособности бизнеса в части организации международных коммуникаций.

На этой неделе состоялся третий испытательный полет американского гиперзвукового летательного аппарата (ГЛА) X-51 AWaveRider - прототипа перспективной ракеты. Однако через 15 секунд после запуска, еще до начала работы основного двигателя, WaveRider потерял управление и упал в океан.

Предыдущее испытание, состоявшееся в прошлом году, тоже провалилось - ускоритель, разгоняющий аппарат до необходимой для запуска основного двигателя скорости, сработал не вовремя и не отделился. Однако ранее, в 2010-м, двигателю "машины" удалось проработать 200 секунд (планировалось 300), разогнав аппарат до пяти скоростей звука (5М). Продолжительность его работы, таким образом, втрое превысила предыдущий рекорд, поставленный российской/советской гиперзвуковой летающей лабораторией (ГЛЛ) "Холод". При этом, в отличие от отечественного аппарата, "американец" использовал в качестве топлива не водород, а авиационный керосин.

Нынешняя неудача, безусловно, затормозит гиперзвуковую программу США, на которую израсходовано $2 млрд. Однако это не отменяет того факта, что у Штатов уже есть ключевая для этой программы технология — работающий прототип гиперзвукового воздушно-реактивного двигателя (ГПВРД, он же скрамджет).

Потенциально такие двигатели способны разогнать летательный аппарат до 17 скоростей звука на водороде и до 8 - на углеводородном топливе. Однако для его работы необходимо добиться устойчивого горения топлива в сверхзвуковом воздушном потоке - что, по словам одного из разработчиков, ничуть не легче, чем удержать спичку зажженной в эпицентре урагана. Впрочем, еще не так давно считалось, что при использовании углеводородного топлива это в принципе невозможно, а единственным пригодным горючим для ГПРВД является взрывоопасный, создающий эксплуатационные трудности и "раздувающий" объемы топливных баков из-за низкой плотности водород. Тем не менее, начиная с 2004 года на Западе провели ряд относительно успешных испытаний летательных аппаратов — как водородных, так и "керосиновых".

В чем практический смысл двухмиллиардной программы? Проектная скорость Х-51 - 7М (около 7 тыс. км/ч для высоты 20 км), проектная дальность - 1600 км, высота полета - порядка 25 км. Иными словами, по "дальнобойности" он примерно соответствует крылатой ракете BGM-109 "Томогавк" (1600 км, с ядерной боевой частью - 2500 км) или баллистической ракете средней дальности - например, снятой с вооружения по договорам РСМД "Першинг-2" (1770 км). В чем преимущества "волнолета" по сравнению с "конкурентами"?

BGM-109 имеет дозвуковую скорость - 880 км/ч. Таким образом, полет на максимальную дальность занимает около двух часов. На протяжении этого времени ракета может быть обнаружена и уничтожена, а цель может переместиться. Безусловно, летящая на высоте порядка 60 м над землей и обладающая малой радиолокационной заметностью уже в силу размеров крылатая ракета - весьма проблемная цель для ПВО. Однако известны и успешные примеры обороны атакуемых объектов от "Томагавков" — например, иракского ядерного центра во время "Бури в пустыне".

Баллистическая ракета с дальностью того же порядка имеет среднюю скорость около 10 тыс. км/ч. Однако, во-первых, "баллистики" могут быть засечены из космоса уже в момент старта - внушительный факел от работающих ракетных двигателей достаточно хорошо заметен. Во-вторых, максимальная высота траектории баллистических ракет такой дальности приближается к 400 км, поэтому они довольно рано "засвечиваются" на радарах ПРО. В-третьих, "баллистики" — неманеврирующая цель, что делает возможным их перехват даже зенитными ракетами, наводящимися в точке упреждения. В целом при современном развитии систем ПРО баллистическая ракета средней дальности является достаточно уязвимой целью.

При этом баллистические ракеты - феноменально неэффективное средство доставки по соотношению стартовой массы и полезной нагрузки. Химические ракетные двигатели сочетают огромную тягу с еще более чудовищной прожорливостью, а баллистические полеты в принципе энергозатратны. В итоге, например, "Першинг-2" при стартовой массе в 7,4 т нес боевую часть в 399 кг. Для сравнения - "Томагавки" несут почти столько же при собственном весе около полутора тонн.

Теперь сравним с гиперзвуковыми ракетами. Скорость и подлетное время, в общем, сопоставимы с таковым у "Першинг-2". При этом Х-51, во-первых, использует гораздо более экономичный воздушно реактивный двигатель. Во-вторых, не забирается на высоту 400 км, "сообщая" о своем присутствии всем окрестным радарам ПРО. В-третьих — способен активно маневрировать. Заметим, что как показали испытания, проведенные в 2007-м шведской SaabBofors, на скоростях 5,5 М возможны сложные маневры даже в плотных слоях атмосферы. В итоге перехват WaveRider возможен только если перехватчик заметно превосходит последнего в скорости и маневренности. Сейчас таких перехватчиков просто нет.

Существующие комплексы ПРО также неспособны бороться с гиперзвуковыми ракетами класса X-51. При этом даже в случае принципиальной возможности поражения высокая скорость цели резко уменьшает зону перехвата.

Иными словами, WaveRider сочетает подлетное время, сопоставимое с баллистическими ракетами средней дальности, с гораздо меньшей заметностью и фактической неуязвимостью по отношению к современной ПВО/ПРО. Между тем, в свое время руководство СССР пошло на все, чтобы убрать "Першинги" из Европы, разменяв их на гораздо большее количество собственных ракет средней дальности - и не зря. 8-10-минутное подлетное время американских ракет превращало их в почти идеальное средство обезоруживающего и "обезглавливающего" удара - у подвергшихся атаке просто не оставалось времени на ответную реакцию. В случае доведения Х-51 до серии ситуация воспроизведется в ухудшенном варианте - при том, что создание ядерных вариантов "волнолетов" вполне возможно.

При этом применение ГПРВД не ограничивается аппаратами средней дальности. С одной стороны, по мнению консультативной группы HАТО по космическим исследованиям и разработкам (AGARD), скрамджеты могут быть широко использованы в чисто тактических системах малой дальности - это противотанковые ракеты (предназначенные также для поражения укреплений), ракеты "воздух-воздух" и малокалиберные (30-40 мм) снаряды для поражения воздушных целей. Еще одно вероятное направление - использование ГПВРД в противоракетах, предназначенных для перехвата баллистических ракет на начальном участке траектории.

С другой стороны, применение гиперзвуковых технологий способно привести к появлению принципиально новых классов стратегических систем. Наиболее консервативный вариант - использование гиперзвуковых аппаратов в качестве "маневрирующих боеголовок" для традиционных баллистических ракет.

Отметим, что баллистическая ракета большой дальности мало уязвима на среднем участке траектории (поскольку окружена огромным количеством легких ложных целей, дипольными отражателями и постановщиками помех), но уязвима на начальном и конечном участках траектории (легкие ложные цели отсеиваются самой атмосферой, в итоге боеголовку сопровождает только небольшое количество тяжелых ЛЦ). При этом и боеголовка, и ее "свита" представляют собой набор неманеврирующих баллистических целей, что радикально облегчает задачу ПРО. Однако скоростная и маневрирующая "машина" с ГПВРД практически неуязвима для нынешних средств ПВО и ПРО. В итоге, объединив классическую МБР с гиперзвуковым маневрирующим боевым блоком, можно добиться надежного прорыва соответствующего эшелона противоракетной обороны.

Иными словами, речь идет о технологии, способной действительно совершить переворот в военном деле. Гиперзвуковая угроза неизбежно станет реальностью в весьма обозримом будущем.

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.

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.

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.

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.

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. И спытания 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

БАЛЛИСТИЧЕСКАЯ ракета Р-1 разрабатывалась под руководством Сергея Павловича Королёва. Справедливости ради скажем, что в разработке Р-1 также принимали активное участие часть немецких ракетных специалистов, которые переехали в СССР после Второй Мировой войны. Ракета Р-1 стала отправной точкой в разработке МЕЖКОНТИНЕНТАЛЬНЫХ баллистических ракет, которые обладали гиперзвуковой скоростью и должны были быть абсолютно НЕУЯЗВИМЫМИ средствами доставки ядерного оружия. Первый Искусственный Спутник Земли и первый полёт человека в космос получились уже вследствие появления межконтинентальных баллистических ракет.

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

Однако существовал ещё один вариант решения космических скоростей. Его предложили известные академики Михаил Кузьмич Янгель и Владимир Николаевич Челомей. Это была жидкость с аммиачным запахом и в отличие от водорода была простой и очень недорогой в производстве. Но когда Королёв узнал, что это такое, он пришёл в УЖАС! Это прекрасное ракетное топливо называлось ГЕПТИЛ. Он оказался в ШЕСТЬ РАЗ ЯДОВИТЕЕ СИНИЛЬНОЙ КИСЛОТЫ и по степени опасности соответствовал БОЕВЫМ отравляющим веществам «ЗАРИН» и «ФОСГЕН»! Однако правительство СССР решило, что ракетное оружие важнее возможных последствий и что оно должно быть создано любой ценой. Впоследствии на топливе гептиле летали ракеты Янгеля и Челомея.

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.

«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???

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)!!!

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)!

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.

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.

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.

Но один из сотрудников НИИ, а именно 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

В то время эта идея показалась слишком фантастичной. В результате на вооружение была принята крылатая ракета с дозвуковой скоростью полёта Х-55. Но даже такая ракета стала выдающимся научно-техническим достижением. Краткие технические характеристики крылатой ракеты Х-55: длина — 5,88 м; диаметр корпуса — 0,514 м; размах крыльев — 3,1 м; стартовый вес — 1195 кг; дальность полёта — 2 500 км; скорость полёта — 770 км/ч (214 м/с); высота полёта от 40 до 110 м; масса боевой части — 410 кг; мощность боевой части — 200 кт; точность попадания до 100 м. В 1983-м году после принятия на вооружение крылатой ракеты Х-55 в Министерстве Обороны был поставлен вопрос о свёртывании работ по созданию двигателя обеспечивающего гиперзвуковую скорость полёта. Но именно в этом году тема гиперзвуковых летательных аппаратов стала всё чаще мелькать в донесениях советской разведки.

Советский космический корабль многоразового использования «Буран» на орбите

В рамках программы «Звёздные войны» американское правительство начало финансирование разработки аппаратов одинаково успешно летающих и в атмосфере и в космосе. Принципиально новым воздушно-космическим оружием должны были стать аппараты с гиперзвуковой скоростью полёта. После успешного создания Х-55, Игорь Селезнёв, не дожидаясь создания действующей модели аппарата «Аякс», приступил к разработке крылатой ракеты, летающей с гиперзвуковой скоростью. Такой ракетой стала крылатая ракета «Х-90», которая должна была летать на традиционном керосине со скоростью более 5-ти Махов. КБ Селезнёва удалось решить проблему температурного перегрева. Предполагалось, что Х-90 будет стартовать из СТРАТОСФЕРЫ. Благодаря этому температура нагрева корпуса ракеты сводилась к минимуму. Однако была и ещё одна причина принятия такой высоты пуска ракеты. Дело в том, что к этому моменту времени более, менее научились сбивать баллистические ракеты, научились сбивать самолёты и научились сбивать крылатые ракеты, летящие на сверхмалых высотах с дозвуковой скоростью полёта. Остался нетронутым только один слой стратосферы – это слой между атмосферой и космосом. Возникла идея «прошмыгнуть» незамеченным именно в области стратосферы, используя гиперзвуковую скорость.

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.

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.

В июле 2001-го года в США был осуществлён запуск экспериментального самолёта «Х-43А». Он должен был достичь гиперзвуковой скорости полёта, СЕМЬ Махов. Но аппарат потерпел крушение. Вообще создание техники с гиперзвуковой скоростью полёта по ТРУДНОСТИ сравнимо с созданием атомного оружия. Новейшие американские гиперзвуковые крылатые ракеты предположительно будут летать на высотах стратосферы. В последнее время гонка по созданию гиперзвукового аппарата началась снова. Двигатель новой гиперзвуковой ракеты может стать плазменным, то есть температура горючей смеси, используемая в двигателе, станет равной горячей ПЛАЗМЕ. Предсказать время появления аппаратов с гиперзвуковой скоростью полёта в России, из-за недостаточного финансирования пока невозможно.

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!!!

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.

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!

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!!!

Сначала стоит конечно определиться, гиперзвук это сколько? Принято считать, что гиперзвуковая скорость, это скорость выше 5 М, то есть больше пяти , а если совсем просто, то это скорость в пять раз превышающая скорость звука.

Вам интересно сколько это в километрах в час? От 5380 км/ч до 6120 км/ч в зависимости от параметров среды (для самолета - воздуха), то есть от плотности воздуха которая разная на разных высотах полета. Так что, для простоты восприятия, все таки лучше пользоваться числами Маха. Если скорость воздушного судна превысила значение 5 М - это гиперзвуковая скорость.

Собственно почему именно 5 М? Значение 5 было выбрано потому, что при такой скорости начинают наблюдаться ионизация потока газа и другие физические изменения, что конечно влияет на его свойства.

Эти изменения особенно заметны для двигателя, обычные ТРД (турбореактивные двигатели) просто не могут работать на такой скорости, нужен принципиально иной двигатель, ракетный или прямоточный (хотя на самом деле он и не такой уж другой, просто в нем отсутствует компрессор и турбина, а свою функцию он выполняет так же: сжимает воздух на входе, смешивает его с топливом, сжигает в камере сгорания, и получает реактивную струю на выходе).

Фактически, прямоточный двигатель, это труба с камерой сгорания, очень просто и эффективно на большой скорости. Вот только у такого двигателя есть огромный недостаток, ему для работы нужна определенная начальная скорость (своего компрессора то нет, нечем сжимать воздух на малой скорости).

История скорости

В 50-е годы шла борьба за достижения скорости звука. Когда инженеры и ученые поняли, как ведет себя самолет при скорости выше скорости звука и научились создавать летательные аппараты предназначенные для таких полетов, пришло время идти дальше. Заставить самолеты летать еще быстрее.

В 1967 году американский экспериментальный летательный аппарат X-15 достиг скорости 6,72 М (7274 км/ч). Он был оснащен ракетным двигателем и летал на высотах от 81 до 107 км (100 км, это линия Кармана, условная граница атмосферы и космоса). Поэтому, правильнее называть X-15 не самолетом, а ракетопланом. Взлететь самостоятельно он не мог, ему требовался самолет-разгонщик. Но все таки, это был гиперзвуковой полет. Причем, летали X-15 с 1962 по 1968 годы, а 7 полетов на X-15 совершил тот самый Нил Армстронг.

Стоит понимать, что полеты вне атмосферы, какими бы быстрыми они не были не корректно считать гиперзвуковыми, ведь плотность среды в которой движется летательный аппарат очень мала. Эффектов присущих сверхзвуковому или гиперзвуковому полету просто не будет.

В 1965 году YF-12 (прототип знаменитого SR-71) достиг скорости 3,331,5 км/ч, а в 1976 уже сам серийный SR-71 - 3,529,6 км/ч. Это «всего лишь» 3,2–3,3 М. Далеко не гиперзвук, но уже для полетов на этой скорости в атмосфере пришлось разрабатывать специальные двигатели, которые на малых скоростях работали в обычном режиме, а на высоких в режиме прямоточного двигателя, а для пилотов - специальные системы жизнеобеспечения (скафандры и системы охлаждения), так как самолет нагревался слишком сильно. Позднее, эти скафандры использовались для проекта Шаттл. Очень долгое время SR-71 являлся самым скоростным самолетом в мире (летать он перестал в 1999 году).

Советский Миг-25Р теоретически мог достичь скорости в 3,2 М, но эксплуатационная скорость ограничивалась значением 2,83 М.

В те же 60-е в США и СССР существовали проекты космических проектов X-20 «Dyna Soar» и «Спираль» соответственно. Для Спирали изначально предполагалось использование гиперзвукового самолета-разгонщика, потом сверхзвукового, а потом проект вообще закрыли. Та же судьба постигла и американский проект.

Вообще проекты именно гиперзвуковых летательных аппаратов того времени были связны с полетами вне атмосферы. Иначе и быть не может, на «малых» высотах слишком высока плотность и соответственно сопротивление, что приводит ко многим негативным факторам, которые в то время преодолеть не смогли.

Настоящее время

За всеми перспективными исследованиями, как обычно стоят военные. В случае с гиперзвуковыми скоростями, это тоже имеет место. Сейчас исследования ведутся в основном в направлении космических аппаратов, гиперзвуковых крылатых ракет и так называемых гиперзвуковых боевых блоках. Теперь уже речь идет о «настоящем» гиперзвуке, полетах в атмосфере.Обратите внимание, работы по гиперзвуковым скоростям были в активной фазе в 60-70 годах, потом все проекты были закрыты. Вернулись к скоростям выше 5 М только на рубеже 2000-х годов. Когда технологии позволили создавать эффективные прямоточные двигатели для гиперзвуковых полетов.

В 2001 первый полет совершил беспилотный летательный аппарат с прямоточным двигателем

Boeing X-43. Уже в 2014 он разогнался до скорости в 9,6 М (11 200 км/ч). Хотя проектировался X-43 для скоростей в 7 раз выше скорости звука. При этом рекорд был поставлен не в космосе, а на высоте всего 33 500 метров.

X-43 на фото выглядит маленьким черным треугольником прикрепленным к разгонной ракете

В 2009 году начались испытания прямоточного двигателя для крылатой ракеты компании Boeing X-51A Waverider. В 2013 году аппарат X-51A разогнался до гиперзвуковой скорости - 5,1 М на высоте 21 000 метров.

Аналогичные проекты на разных стадиях осуществляют и другие страны: Германия (SHEFEX), Великобритания (Skylon), Россия («Холод» и «Игла»), Китай (WU-14) и даже Индия (Брамос), Австралия (ScramSpace) и Бразилия (14-X).

ГЛЛ-31 проекта «Холод»

Интересный проект летательного аппарата для полета с гиперзвуковой скоростью в атмосфере, американский Falcon HTV-2, считается провальным. Предположительно, Falcon смог разогнаться до огромной для атмосферы скорости - 23 М. Но только предположительно, так как все экспериментальные аппараты просто напросто сгорели.

Все перечисленные летательные аппараты (кроме Skylon) не могут самостоятельно набрать необходимую для работы прямоточного двигателя скорость и используют разные ускорители. Но Skylon пока только проект не сделавший пока ни единого испытательного полета.

Далекое будущее гиперзвука

Существуют и гражданские проекты гиперзвуковых самолетов для перевозки пассажиров. Это европейские SpaceLiner с одним типом двигателя и ZEHST который должен использовать целых 3 типа двигателя на разных режимах полета. Также над своими проектами работают и другие страны.

Такие лайнеры предположительно смогут доставить пассажиров из Лондона в Нью-Йорк всего лишь за час. Полетать на таких самолетах мы сможем не раньше 40-х, 50-х годов 21 века. А пока гиперзвуковые скорости остаются уделом военных либо космических аппаратов.

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

Высокоскоростной поток в лобовой точке аппарата (точке или области торможения) вызывает нагревание газа до очень высоких температур (до нескольких тысяч градусов). Высокие температуры, в свою очередь, создают неравновесные химические свойства потока, которые заключаются в диссоциации и рекомбинации молекул газа, ионизации атомов, химическим реакциям в потоке и с поверхностью аппарата. В этих условиях могут быть существенны процессы конвекции и радиационного теплообмена .

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).

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 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

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:

• оптически тонкий - в данном случае предполагается, что газ не перепоглощает излучение, которое приходит от других его частей или выбранных единиц объема;
• оптически толстый - где учитывается поглощение излучения плазмой, которое потом переизлучается в том числе и на тело аппарата.

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.