Гиперзвук: недостижимая мечта авиации
Сверхзвук, вертикальный взлёт, стелс, сверхманёвренность… Сейчас все говорят о гиперзвуке, активно его развивают и хвастаются достижениями. Кажется, ещё чуть-чуть - и в серию пойдут пассажирские гиперзвуковые самолёты! Но это происходит не в первый раз. Почему гиперзвуковая авиация не появилась раньше - и появится ли сейчас?
Эра безграничных надежд
Для начала стоит разобраться, что же такое гиперзвуковая скорость. Принято считать, что это скорость с числом Маха больше пяти. Число Маха изменяется от высоты полёта (если точнее - из-за разницы в скоростях звука на разных высотах с разной плотностью и температурой атмосферы), и сказать, скольким километрам в час равен один Мах, нельзя.
Если говорить примерно, то чем больше высота, тем ниже скорость звука, а значит, больше число Маха. На высоте уровня моря примерно 1230 километров в час будут соответствовать 1 М, а на высоте в десять километров 1 М - всего лишь 1070 километров в час.
О гиперзвуке (это не совсем верный термин, но мы будем его использовать) начали говорить уже в начале 50-х годов, и тогда это казалось делом чуть ли не ближайшего десятилетия. Причины такого оптимизма были понятны. Буквально десять лет назад скорости в 600 километров в час казались большими. Прошло немного времени, и в 1946 году ракетный Bell X-1 преодолел звуковой барьер. Ещё полдесятилетия - и в 1952 году Bell X-2 взял барьер в 3 М, а Douglas Х-3 в том же году достиг 2 М на турбореактивных двигателях.
Во второй половине 50-х появились первые серийные двухмаховые самолёты. И, как и ожидалось, в 1959 году ракетный Х-15 впервые совершил пилотируемый гиперзвуковой полёт.
В дальнейшем на базе узлов Х-15 предполагалось создать испытательный самолёт Х-15D для отработки гиперзвуковых прямоточных двигателей. От изначального варианта не оставалось ничего, а название Х-15 использовали для упрощения получения финансирования[/caption]
Казалось бы, вот оно - пройдёт ещё лет пять, максимум десять, и гиперзвуковые аппараты встанут в серию. Благо по соседству ещё семимильными шагами развивалось ракетостроение, где гиперзвуковые скорости стали привычным делом, - много решений можно было почерпнуть оттуда.
На чертёжных досках различных фирм появились наброски гиперзвуковых аппаратов: в основном разведчиков и бомбардировщиков - они как раз летают на больших высотах и не требуют особой манёвренности. Было много проектов и пассажирского гиперзвука: попасть в Нью-Йорк из Лондона за час с небольшим - крайне привлекательная идея.
Гиперзвуковой многоцелевой самолёт от Republic, используемый в том числе в качестве первой ступени для космических аппаратов. 1961 год[/caption]
Но сразу же начались неожиданные проблемы. Да, Х-15 летал на гиперзвуке - но имел ракетный двигатель и совершенно не умел маневрировать. Последнее было особо критично для любого серийного самолёта. И, как показали последующие испытания, с маневрированием на гиперзвуке всё было совсем плохо. Даже в линейном полёте нагрузки на конструкцию запредельные, а маневрирование при этом смертельно опасно. Любое повреждение теплозащиты - и самолёту конец.
Но может, и не нужно это маневрирование?
Проект многорежимного гиперзвукового грузового самолёта от Rolls Royce
Различные режимы полёта многорежимного гиперзвукового грузового самолёта от Rolls Royce
Пусть манёвры происходят на меньших скоростях, а на гиперзвуке полёт идёт только по прямой.
Однако ракетные двигатели для этого совсем не подходили - с контролем скорости у них всё было плохо, а сделать реактивный двигатель для подобного полёта никак не выходило. Сначала вообще думали о многорежимном, способном эффективно работать на любых скоростях. Но создание такого двигателя для цэрэушного А-12, с максимальной скоростью всего в 3,2 М, оказалось предельно сложной задачей. Двигатель J58 был вершиной инженерного искусства и почти пределом развития в своём классе.
Схема работы воздухозаборников А-12 и двигателя J58 на различных скоростях
Использование специальных гиперзвуковых прямоточных двигателей (ГПВРД) выглядело куда перспективнее. Да, появились бы проблемы с полётами на меньших скоростях, но решить их можно было, например, просто установив дополнительные турбореактивные двигатели. Однако создание ГПВРД, казавшееся на бумаге не самой сложной задачкой, обернулось множеством проблем.
Непросто было вообще направить поток воздуха в воздухозаборник двигателя на гиперзвуковых скоростях, ведь это требовало достаточно необычной конструкции фюзеляжа, с серьёзной теплозащитой. Были проблемы и с топливом - при сверхзвуковой скорости потока в двигателе оно должно было успеть прореагировать с воздухом. Подходящих вариантов имелось немного, почти все они были не самыми разумными. Например, пентаборан - одно из опаснейших веществ на земле. Оно не только крайне токсично, но и воспламеняется при почти комнатной температуре. А значит, пришлось бы создавать эффективную систему охлаждения на борту серьёзно нагретого самолёта, и весила бы она слишком много.
Проект пассажирского гиперзвукового самолёта от Bell
По сути, единственный реальный метод получить работоспособный гиперзвуковой аппарат в то время - это построить ракету с крыльями, которая могла бы летать по прямой, эдакую увеличенную версию Х-15. Именно по этому пути собирались пойти в ЦРУ. Невозможность проводить авиаразведку над СССР из-за мощного советского ПВО их не устраивала.
Спутники-шпионы в то время были ещё не самого лучшего качества, фотографировали плохо и ждать плёнок с орбиты приходилось долго. Потому в рамках программы Isinglass ЦРУ попыталось создать ракетный разведчик со скоростью 20 М, способный преодолевать даже ПВО, использующую ядерные боеприпасы. Но проект оказался слишком долгим, дорогим и сложным. ЦРУ не устраивал ни срок разработки - минимум десять лет, - ни размах привлечения к разработке сторонних фирм, из-за чего о секретности не могло быть и речи.
Реконструкция возможного внешнего вида разведчика Isinglass (фото: Джузеппе де Чиара)
Эпоха «Авроры»
Все 70-е годы работы над гиперзвуком не прекращались, но финансирование на них выделялось по остаточному принципу. В 80-е из-за развития технологий снова пошли серьёзные разговоры о постройке гиперзвуковых самолётов. Казалось, что благодаря появлению новых материалов и компьютеров, способных рассчитать сложные формы гиперзвуковых аппаратов, препятствий для гиперзвука почти не осталось. Военные инициировали работы над гиперзвуковым разведчиком, бомбардировщиком и самолётом ПРО. При поддержке NASA стартовала программа NASP (National Aero-Space Plane) по разработке двухсредного гиперзвукового самолёта/космолёта. Схожие работы велись и в СССР.
Проект гиперзвукового перехватчика ПРО Фареро-Исландского рубежа
Программа NASP имела больше гражданскую направленность, но результаты её работ должны были использовать и в военных проектах. В рамках программы планировалось построить самолёт Х-30 - проблемы с его стоимостью во многом и привели к закрытию NASP
Несмотря на весь оптимизм, скоро стало ясно, что создание больших пилотируемых гиперзвуковых аппаратов, по сути, невозможно. ГПВРД даже не были нормально испытаны; тепловые нагрузки по расчётам хоть и не превышали таковые у «Шаттла», но использование знаменитой «плиточной» теплозащиты было невозможно. Серьёзные вопросы вызывали взлёт и посадка таких аппаратов. В итоге и в СССР, и в США решили сосредоточиться на менее революционных проектах гиперзвуковых ракет.
Один из многочисленных советских проектов гиперзвуковых самолётов - Ту-360
Интересно, что шум, поднятый вокруг гиперзвука в 80-е, привёл к появлению одного из самых известных авиационных мифов. Многие конспирологи считают, что столь масштабные работы просто не могли закончиться ничем, и на самом деле гиперзвуковой разведчик под кодовым наименованием Aurora всё же был создан - а власти просто скрывают это достижение.
С тех пор Aurora стала одни из главных героев конспирологии - сначала в США, а потом и во всём мире.
Дискуссия о возможности существования этого проекта идёт и по сей день, но как бы нам ни хотелось обратного, фактов «против» куда больше, чем фактов «за». Существует и противоположенное мнение - что шумиха вокруг «недостижимого» гиперзвука была специально создана для маскировки реальных работ над технологиями «стелс».
Одна из фантазий на тему гиперзвукового разведчика Aurora
И снова гиперзвук
Окончание холодной войны и развал СССР серьёзно замедлили работы по гиперзвуку. В США в рамках программ Х-43 и Х-51 удалось доказать работоспособность ГПВРД, но ярко проявили себя и другие проблемы. Например, высокий износ материалов двигателя, из-за которого он, по сути, становится одноразовым; малая живучесть ракеты с большой вероятностью разрушения её в полёте, необходимость использования ракетного ускорителя для разгона до скорости в 5 М.
Из-за всех этих проблем разработку гиперзвуковой крылатой ракеты в США свернули.
Гиперзвуковая ракета Х-51 Waveraider разрабатывалась в США в рамках программы Prompt Global Strike, которая обеспечивала вооружённым силам возможность нанесения удара по любой цели на Земле через час после принятия решения
В нашей стране идёт разработка гиперзвуковой противокорабельной ракеты «Циркон», почти аналогичной американской ракете Х-51. Информации в свободном доступе об этом проекте очень мало для каких-либо оценок. Несмотря на бравурные заявления о первых успешных испытаниях в 2018 году, есть сомнения, что «Циркон» не столкнётся с теми же проблемами, что и Х-51, и не повторит её судьбу.
Внешний вид ракеты «Циркон» неизвестен, потому реконструируют его обычно как «брата-близнеца» Х-51
Другим путём развития гиперзвука в текущий момент являются гиперзвуковые планирующие боевые блоки ракет. По сути любая современная баллистическая ракета развивает гиперзвуковую скорость (этот факт использовали, чтобы назвать гиперзвуковым оружием обычную ракету воздушного базирования «Кинжал»), и вопрос тут только в маневрировании. Боевые блоки ещё в 70-е годы научились ограниченно маневрировать в горизонтальной плоскости - теперь пришло время для вертикального манёвра и продолжительного горизонтального планирования.
Схема применения гиперзвукового планирующего боевого блока
У нас и в Китае подобные боевые блоки разрабатываются для МБР, а в США, судя по всему, делают ставку на оснащение такими блоками ракет малой и средней дальности.
Из всего возможного гиперзвукового вооружения это семейство ближе всего к принятию на вооружение.
Но планирующий боевой блок стоит максимально далеко от гиперзвуковой авиации - у него куда более слабые требования по теплозащите, он не использует своего двигателя для создания тяги. Разве что опыт маневрирования на гиперзвуке мог бы пригодиться для проектов гиперзвуковых самолётов.
Итоги достаточно неутешительны. Разговоров о создании гиперзвуковых самолётов даже не ведётся - всем понятно, что это дело не самого близкого будущего. И неясно, возможно ли вообще создание материалов нужных характеристик для конструирования подобных аппаратов.
У гиперзвуковых крылатых и противокорабельных ракет по-прежнему существуют достаточно серьёзные проблемы, перспективы их совсем не очевидны. И лишь планирующие боевые блоки, судя по всему, готовы встать на вооружение.
Вместо ренессанса гиперзвука получается ровно то же, что и в 60-е, и в 80-е годы - много перспектив, много пиара, но мало работающих решений. И будет ли дальше лучше - неизвестно.
источник: https://warhead.su/2020/01/30/giperzvuk-nedostizhimaya-mechta-aviatsii