Военный гиперзвук на водородной тяге - истребители шестого поколения
Какое-то время чистые водородные силовые установки будут соседствовать и с традиционными движками, как когда-то лошади уживались с первыми двигателями внутреннего сгорания. Но будущее уже предрешено
Россия готова к прорыву для перехода к технике шестого поколения
В настоящее время развитие традиционного военного самолетостроения достигло естественного потолка используемых технологий. Трудно представить себе что-то принципиально новое, не укладывающееся в сотни раз отработанный магистральный тренд создания платформ ударных истребителей и других боевых самолетов. Анонсированный переход от пятого к шестому поколению ВВС должен ознаменоваться еще более совершенной авионикой и системами вооружения, а также другим уровнем активной/пассивной защиты борта… Конечно, использование искусственного интеллекта и новых композиционных материалов способно поднять дело производства инновационных начинаний на ранее недоступную высоту.
Тем не менее, если сравнить этот вид инженерного созидания с неожиданным, хотя, похоже, и тщательно подготовленным, прорывом, коего добились россияне в области ракетостроения (речь идет о системах «Авангард», «Кинжал» и других), то становится очевидным отсутствие принципиально нового в самолетостроении двадцать первого века. Доведение ЛТХ и ТТХ бортов до немыслимой высоты не позволит изменить стратегию их использования - в самой конструкции естественным путем заложены предельно допустимые величины по скорости, скрытности, применению (то есть динамический и практический потолок той или иной машины).
Ракетный комплекс «Авангард».
Для достижения качественного иного результата и перехода действительно к технике шестого поколения нужно было решить задачу коренного изменения силовой установки новой модели. Любопытно, что опять-таки именно Россия готова в настоящее время сказать свое весомое слово в этой области.
Шаг вперед - создание нового двигателя для ВВС
В боевой авиации традиционно используется только один тип движителя - атмосферный, использующий в качестве топлива керосин. В ракетостроении, будь то космическом или боевом, применяются прямоточные двигатели, позволяющие выходить за пределы земной атмосферы в ближний космос. В области применения истребителей не раз вставал вопрос о такой конструкции, которая с одинаковым успехом могла бы перемещаться как в безвоздушном пространстве на околоземной орбите, так и при нормальном полете в атмосфере.
Вполне очевидно, что для достижения таких результатов необходимо придумать некий гибрид между ракетным и самолетным двигателями. И, в принципе, такое устройство было придумано и изготовлено именно в нашем Отечестве.
Можно смело утверждать, что криогенная авиация «родилась» в СССР в семидесятых-восьмидесятых годах прошлого века. После долгих теоретических работ удалось доказать, а потом и практически обосновать возможность массового использования водородного топлива в авиации. В те годы произошло неожиданное удорожание ископаемого сырья на мировом рынке, откуда с новой силой встала проблема перехода на другие источники энергии.
АЛ-31Ф турбореактивный двухконтурный авиационный двигатель.
Российский водородный прототип ВС. Первый в мире
И вот 15 апреля 1988 года в ЛИИ им. М.М. Громова прошел цикл летных испытаний гражданский экспериментальный борт Ту-155, на который был установлен двигатель НК-88, работавший на водородном топливе. Изделие стало плодом многолетней работы команды двигателистов под началом академика Н.Д. Кузнецова. Вся конструкция летательного аппарата была доработана для использования под новую силовую установку. На борту был смонтирован резервуар для локализации сжиженного водорода температурой -253 градуса по Цельсию. Кроме того, для нормального функционирования изделия было необходимо сначала разработать практически с нуля, а потом и применить гелиевую систему для управления силовыми установками, а потом и азотную - в качестве меры предосторожности на случай утечки водорода.
После удачных испытаний самолет совершил перелет по маршруту Москва - Братислава - Ницца и Москва - Ганновер. Этим прототипом было поставлено 14 мировых рекордов. Собственно, можно считать, что именно тогда и появилась на свет так называемая программа «Холод», а в дальнейшем - и «Холод-1».
Результатом предстоявших на тот момент исследований должен был стать воздушно-космический борт Ту-2000. В те годы столь удачно открывшаяся эпопея освоения нового - для авиации - вида топлива была жестко остановлена командой реформаторов.
Тем не менее, результаты не пропали. Они легли в основу новых изысканий. Так появился на свет гиперзвуковой водородный двигатель (ГПВРД), испытанный в России в 1992 году. В сущности, этот агрегат не имеет прямого отношения к НК-88, установленном когда-то вместо правого штатного двигателя на экспериментальный Ту-155. Та давнишняя разработка Н.Д. Кузнецова была все-таки двухконтурным авиационным двигателем, который пусть и использовал необычное топливо, но все же был предназначен работать в пределах тех же высот, что и его классические собратья, летающие на керосине. Но именно благодаря НК-88 удалось доказать, что аэродромное обслуживание такого рода летательных аппаратов не представляет особых проблем, а сам водород, при условии соблюдения элементарных мер безопасности, - не более опасен, чем другие горючие вещества.
Летающая лаборатория Ту-155 с двигателем НК-88.
Последним аргументом, который и поныне не имеет положительного решения в силу объективных экономических причин, является затратность самого промышленного процесса электролиза, при помощи которого и получают необходимый водород. Согласно технико-экономическим выкладкам, выходит, что в условиях гражданского применения водород невыгоден, так как полная себестоимость его производства, хранения и перевозки превышает положительный экономический эффект. Базовые модели, которыми любят оперировать оппоненты криогенной авиации, показывают, что на 1 джоуль энергии, полученной от сгорания такого вида топлива, придется затратить от 4 до 12 джоулей энергии для обеспечения производственного цикла. На сегодня проблема повышенной энергоемкости по производству водорода так и не решена.
Выход из гравитационного «колодца» нашей планеты
Но то что стало приговором для гражданской сферы, по сути никак не отразилось на возможном военном аспекте «водородного» проекта. Для истребительной авиации соотношение затрат и экономического КПД, исчисляемого в денежных единицах, играет только второстепенную роль.
Поэтому в 1992 г., уже через 4 года после полета Ту-155, на полигоне был испытан ГПВРД - гиперзвуковой водородный двигатель, который стал принципиально новым словом для массового выхода истребительной (и не только) авиации из гравитационного «колодца» нашей планеты.
Предварительные стендовые испытания прототипа - Гиперзвуковой летающей лаборатории - были проведены в ЦИАМ. Работами в те годы руководили В.А. Сосунов, Р.И. Курзинер и Д.А. Огородников. Помнится, детище получилось воистину оригинальным. До скоростей от 3 до 5 Махов двигатель работал как обычный прямоточный. При превышении этой пороговой величины автоматика меняла места подачи топлива в камеру сгорания, и агрегат превращался в гиперзвуковой. Всего в те годы было выполнено 7 полетов при достижении весьма обнадеживающего результата - устойчивой скорости перемещения объекта в 5,6 Маха.
В этой связи в 2005 году на МАКС на одном из российских стендов был представлен макет гиперзвукового летательного аппарата «Игла».
Макет гиперзвукового летательного аппарата «Игла».
Согласно заявленным характеристикам, такой аппарат с экипажем на борту или в режиме беспилотника достигает за 50 секунд скорости в 14 Махов! Стоит все-таки уточнить, что до сих пор, то есть и через 14 лет, специалисты пока считают более реалистичной цифру в 5-7 М. Такой аппарат вполне способен стать тем самым низкоорбитальным истребителем, способным функционировать в режиме «атмосфера-ближний космос».
Водородный истребитель шестого поколения
Таким образом, получается, что именно водородное топливо, на котором работает российский прототип двигателя, позволяет развивать запредельные скорости и вплотную подойти к созданию нового класса машин шестого поколения. По предварительным оценкам некоторых специалистов, не исключено, что уже в 2025 году мы увидим в металле новый вид боевой машины, работающей на чистом криогенном топливе.
Кстати
Стратегия же применения таких космических ударных истребителей была разработана еще во времена Третьего рейха. Перед закатом нацистской империи в Берлине уже умели делать цельнометаллический самолет с реактивным двигателем (проект Юнкерс Ju-287) и даже с обратной стреловидностью крыла. Следующим шагом, по замыслу нацистских стратегов, должен был стать аппарат, способный работать на суборбитальной высоте. Недостижимый для ПВО, он мог достигать удаленных точек Земного шара и наносить страшные удары при помощи ядерного оружия.
В нашу эру беспилотников боевое применение машин, работающих в ближнем космосе, может заключаться в ведении «стаи» дронов, подчиняющихся роевому искусственному интеллекту.
Гражданское применение криогенной авиации
Любопытно, что Россия не делает тайны из своих исследований и трудится над проектом бок о бок с европейским сообществом - по крайней мере, в значительном объеме намеченных для обязательного проведения работ. Проект Гиперзвуковой летающей лаборатории HEXAFLY-INT (High-Speed Experimental Fly Vehicles - INTernational) разрабатывается международной корпорацией RUMBLE, созданной совместно Россией и Францией. В коллективе присутствуют специалисты из Dassault Aviation, КБ Туполева, ЦАГИ и МАИ.
Проект Гиперзвуковой летающей лаборатории HEXAFLY-INT.
Важно отметить, что в качестве силовой установки все участники определили консенсусом именно водородный двигатель. Скорее всего, он станет доработанной версией того самого ГПВРД, испытанного в уже далеком 1992 году.
В настоящее время инженеры решают важнейший вопрос преодоления звукового барьера при сохранении энергетической эффективности аппарата, но обязательном снижении акустического эффекта. Но все же и, скорее всего, HEXAFLY олицетворяет гражданское направление изысканий, развивающееся параллельно с оборонным концептом.
Кстати, можно отметить, что в КБ Сухого еще 13 лет назад инженеры из специального отдела, работающего над проблемой гиперзвуковых конструкций, рассказывали, что соответствующая аэродинамическая модель уже просчитана. То есть почти полтора десятилетия назад уже тогда в России умели минимизировать акустический эффект для гражданского применения. Ведь именно страшный «гром с неба» помешал дальнейшей эксплуатации и франко-британского «Конкорда» (хотя тот летал преимущественно в Нью-Йорк, то есть над Атлантикой), и его российского собрата Ту-144.
Ту-144 - советский сверхзвуковой пассажирский самолет.
И в Австралии, озабоченной борьбой за чистоту окружающей среды, и в США существуют аналогичные проекты «электрических» самолетов на водородных ячейках, гораздо более близких первому прототипу Туполева, чем гиперзвуковая лаборатория с ее запредельными скоростями.
Дело в том, что даже и в развитой части мира спрос на «чистые» двигатели, способные переносить на небольших скоростях пассажиров от точки до точки, достаточно велик. Так, собственно, и родился американский проект Element One. Его цель - создание малозатратного экологичного грузопассажирского самолета, обслуживающего второстепенные направления. В чем-то речь идет об аналоге любимого россиянами Ан-2 (или более нового Ан-3).
Похоже, что на планету и, прежде всего, в ВВС развитых стран окончательно пришел век чистых водородных силовых установок. Какое-то время они будут соседствовать и с традиционными движками, как когда-то лошади уживались с первыми двигателями внутреннего сгорания. Но будущее уже предрешено.
источник
Россия готова к прорыву для перехода к технике шестого поколения
В настоящее время развитие традиционного военного самолетостроения достигло естественного потолка используемых технологий. Трудно представить себе что-то принципиально новое, не укладывающееся в сотни раз отработанный магистральный тренд создания платформ ударных истребителей и других боевых самолетов. Анонсированный переход от пятого к шестому поколению ВВС должен ознаменоваться еще более совершенной авионикой и системами вооружения, а также другим уровнем активной/пассивной защиты борта… Конечно, использование искусственного интеллекта и новых композиционных материалов способно поднять дело производства инновационных начинаний на ранее недоступную высоту.
Тем не менее, если сравнить этот вид инженерного созидания с неожиданным, хотя, похоже, и тщательно подготовленным, прорывом, коего добились россияне в области ракетостроения (речь идет о системах «Авангард», «Кинжал» и других), то становится очевидным отсутствие принципиально нового в самолетостроении двадцать первого века. Доведение ЛТХ и ТТХ бортов до немыслимой высоты не позволит изменить стратегию их использования - в самой конструкции естественным путем заложены предельно допустимые величины по скорости, скрытности, применению (то есть динамический и практический потолок той или иной машины).
Ракетный комплекс «Авангард».
Для достижения качественного иного результата и перехода действительно к технике шестого поколения нужно было решить задачу коренного изменения силовой установки новой модели. Любопытно, что опять-таки именно Россия готова в настоящее время сказать свое весомое слово в этой области.
Шаг вперед - создание нового двигателя для ВВС
В боевой авиации традиционно используется только один тип движителя - атмосферный, использующий в качестве топлива керосин. В ракетостроении, будь то космическом или боевом, применяются прямоточные двигатели, позволяющие выходить за пределы земной атмосферы в ближний космос. В области применения истребителей не раз вставал вопрос о такой конструкции, которая с одинаковым успехом могла бы перемещаться как в безвоздушном пространстве на околоземной орбите, так и при нормальном полете в атмосфере.
Вполне очевидно, что для достижения таких результатов необходимо придумать некий гибрид между ракетным и самолетным двигателями. И, в принципе, такое устройство было придумано и изготовлено именно в нашем Отечестве.
Можно смело утверждать, что криогенная авиация «родилась» в СССР в семидесятых-восьмидесятых годах прошлого века. После долгих теоретических работ удалось доказать, а потом и практически обосновать возможность массового использования водородного топлива в авиации. В те годы произошло неожиданное удорожание ископаемого сырья на мировом рынке, откуда с новой силой встала проблема перехода на другие источники энергии.
АЛ-31Ф турбореактивный двухконтурный авиационный двигатель.
Российский водородный прототип ВС. Первый в мире
И вот 15 апреля 1988 года в ЛИИ им. М.М. Громова прошел цикл летных испытаний гражданский экспериментальный борт Ту-155, на который был установлен двигатель НК-88, работавший на водородном топливе. Изделие стало плодом многолетней работы команды двигателистов под началом академика Н.Д. Кузнецова. Вся конструкция летательного аппарата была доработана для использования под новую силовую установку. На борту был смонтирован резервуар для локализации сжиженного водорода температурой -253 градуса по Цельсию. Кроме того, для нормального функционирования изделия было необходимо сначала разработать практически с нуля, а потом и применить гелиевую систему для управления силовыми установками, а потом и азотную - в качестве меры предосторожности на случай утечки водорода.
После удачных испытаний самолет совершил перелет по маршруту Москва - Братислава - Ницца и Москва - Ганновер. Этим прототипом было поставлено 14 мировых рекордов. Собственно, можно считать, что именно тогда и появилась на свет так называемая программа «Холод», а в дальнейшем - и «Холод-1».
Результатом предстоявших на тот момент исследований должен был стать воздушно-космический борт Ту-2000. В те годы столь удачно открывшаяся эпопея освоения нового - для авиации - вида топлива была жестко остановлена командой реформаторов.
Тем не менее, результаты не пропали. Они легли в основу новых изысканий. Так появился на свет гиперзвуковой водородный двигатель (ГПВРД), испытанный в России в 1992 году. В сущности, этот агрегат не имеет прямого отношения к НК-88, установленном когда-то вместо правого штатного двигателя на экспериментальный Ту-155. Та давнишняя разработка Н.Д. Кузнецова была все-таки двухконтурным авиационным двигателем, который пусть и использовал необычное топливо, но все же был предназначен работать в пределах тех же высот, что и его классические собратья, летающие на керосине. Но именно благодаря НК-88 удалось доказать, что аэродромное обслуживание такого рода летательных аппаратов не представляет особых проблем, а сам водород, при условии соблюдения элементарных мер безопасности, - не более опасен, чем другие горючие вещества.
Летающая лаборатория Ту-155 с двигателем НК-88.
Последним аргументом, который и поныне не имеет положительного решения в силу объективных экономических причин, является затратность самого промышленного процесса электролиза, при помощи которого и получают необходимый водород. Согласно технико-экономическим выкладкам, выходит, что в условиях гражданского применения водород невыгоден, так как полная себестоимость его производства, хранения и перевозки превышает положительный экономический эффект. Базовые модели, которыми любят оперировать оппоненты криогенной авиации, показывают, что на 1 джоуль энергии, полученной от сгорания такого вида топлива, придется затратить от 4 до 12 джоулей энергии для обеспечения производственного цикла. На сегодня проблема повышенной энергоемкости по производству водорода так и не решена.
Выход из гравитационного «колодца» нашей планеты
Но то что стало приговором для гражданской сферы, по сути никак не отразилось на возможном военном аспекте «водородного» проекта. Для истребительной авиации соотношение затрат и экономического КПД, исчисляемого в денежных единицах, играет только второстепенную роль.
Поэтому в 1992 г., уже через 4 года после полета Ту-155, на полигоне был испытан ГПВРД - гиперзвуковой водородный двигатель, который стал принципиально новым словом для массового выхода истребительной (и не только) авиации из гравитационного «колодца» нашей планеты.
Предварительные стендовые испытания прототипа - Гиперзвуковой летающей лаборатории - были проведены в ЦИАМ. Работами в те годы руководили В.А. Сосунов, Р.И. Курзинер и Д.А. Огородников. Помнится, детище получилось воистину оригинальным. До скоростей от 3 до 5 Махов двигатель работал как обычный прямоточный. При превышении этой пороговой величины автоматика меняла места подачи топлива в камеру сгорания, и агрегат превращался в гиперзвуковой. Всего в те годы было выполнено 7 полетов при достижении весьма обнадеживающего результата - устойчивой скорости перемещения объекта в 5,6 Маха.
В этой связи в 2005 году на МАКС на одном из российских стендов был представлен макет гиперзвукового летательного аппарата «Игла».
Макет гиперзвукового летательного аппарата «Игла».
Согласно заявленным характеристикам, такой аппарат с экипажем на борту или в режиме беспилотника достигает за 50 секунд скорости в 14 Махов! Стоит все-таки уточнить, что до сих пор, то есть и через 14 лет, специалисты пока считают более реалистичной цифру в 5-7 М. Такой аппарат вполне способен стать тем самым низкоорбитальным истребителем, способным функционировать в режиме «атмосфера-ближний космос».
Водородный истребитель шестого поколения
Таким образом, получается, что именно водородное топливо, на котором работает российский прототип двигателя, позволяет развивать запредельные скорости и вплотную подойти к созданию нового класса машин шестого поколения. По предварительным оценкам некоторых специалистов, не исключено, что уже в 2025 году мы увидим в металле новый вид боевой машины, работающей на чистом криогенном топливе.
Кстати
Стратегия же применения таких космических ударных истребителей была разработана еще во времена Третьего рейха. Перед закатом нацистской империи в Берлине уже умели делать цельнометаллический самолет с реактивным двигателем (проект Юнкерс Ju-287) и даже с обратной стреловидностью крыла. Следующим шагом, по замыслу нацистских стратегов, должен был стать аппарат, способный работать на суборбитальной высоте. Недостижимый для ПВО, он мог достигать удаленных точек Земного шара и наносить страшные удары при помощи ядерного оружия.
В нашу эру беспилотников боевое применение машин, работающих в ближнем космосе, может заключаться в ведении «стаи» дронов, подчиняющихся роевому искусственному интеллекту.
Гражданское применение криогенной авиации
Любопытно, что Россия не делает тайны из своих исследований и трудится над проектом бок о бок с европейским сообществом - по крайней мере, в значительном объеме намеченных для обязательного проведения работ. Проект Гиперзвуковой летающей лаборатории HEXAFLY-INT (High-Speed Experimental Fly Vehicles - INTernational) разрабатывается международной корпорацией RUMBLE, созданной совместно Россией и Францией. В коллективе присутствуют специалисты из Dassault Aviation, КБ Туполева, ЦАГИ и МАИ.
Проект Гиперзвуковой летающей лаборатории HEXAFLY-INT.
Важно отметить, что в качестве силовой установки все участники определили консенсусом именно водородный двигатель. Скорее всего, он станет доработанной версией того самого ГПВРД, испытанного в уже далеком 1992 году.
В настоящее время инженеры решают важнейший вопрос преодоления звукового барьера при сохранении энергетической эффективности аппарата, но обязательном снижении акустического эффекта. Но все же и, скорее всего, HEXAFLY олицетворяет гражданское направление изысканий, развивающееся параллельно с оборонным концептом.
Кстати, можно отметить, что в КБ Сухого еще 13 лет назад инженеры из специального отдела, работающего над проблемой гиперзвуковых конструкций, рассказывали, что соответствующая аэродинамическая модель уже просчитана. То есть почти полтора десятилетия назад уже тогда в России умели минимизировать акустический эффект для гражданского применения. Ведь именно страшный «гром с неба» помешал дальнейшей эксплуатации и франко-британского «Конкорда» (хотя тот летал преимущественно в Нью-Йорк, то есть над Атлантикой), и его российского собрата Ту-144.
Ту-144 - советский сверхзвуковой пассажирский самолет.
И в Австралии, озабоченной борьбой за чистоту окружающей среды, и в США существуют аналогичные проекты «электрических» самолетов на водородных ячейках, гораздо более близких первому прототипу Туполева, чем гиперзвуковая лаборатория с ее запредельными скоростями.
Дело в том, что даже и в развитой части мира спрос на «чистые» двигатели, способные переносить на небольших скоростях пассажиров от точки до точки, достаточно велик. Так, собственно, и родился американский проект Element One. Его цель - создание малозатратного экологичного грузопассажирского самолета, обслуживающего второстепенные направления. В чем-то речь идет об аналоге любимого россиянами Ан-2 (или более нового Ан-3).
Похоже, что на планету и, прежде всего, в ВВС развитых стран окончательно пришел век чистых водородных силовых установок. Какое-то время они будут соседствовать и с традиционными движками, как когда-то лошади уживались с первыми двигателями внутреннего сгорания. Но будущее уже предрешено.
источник