Авиация и орбитальная космонавтика

Авиация И Орбитальная Космонавтика
10 ноября 2016

В преддверии гиперзвука или о некоторых тупых проектах.

В начале 60-х годов СССР и США приступили к созданию самолетов, способных лететь с трехкратной скоростью звука. США и СССР создали два уникальных летательных аппарата: стратегический разведчик SR-71 A, который в 1976 году - достиг скорости 3539 км/ч, и в СССР истребитель-перехватчик МиГ-25, который в 1967 году развил скорость 2920 км/ч. Но уже их создателям пришлось решать проблему теплового барьера. Увы, при движении на большой скорости конструкция подвергается сильному нагреву, так некоторые элементы у названных самолётов нагревались до 300-500 и более градусов! Такие температурные нагрузки потребовали применения в конструкции жаропрочных материалов – сталей, титана. Это удорожало скоростные самолёты, но на современном уровне, на пути преодоления скорости 3 Маха это неизбежно. Например, главным конструкционным материалом МиГ-25 была сталь (80% конструкции), жаропрочные алюминиевые сплавы - 11%, титановые сплавы - 8%, а для изготовления специальных посеребренных экранов расходовалось почти 5 килограмм серебра. Другой забавный факт - для постройки SR-71 США обходными путями приобретали титан у СССР, а его доля в конструкции достигала 80 процентов! Тем не менее, этих мер было недостаточно, поэтому принимались различные специальные конструктивные и эксплуатационные меры, например:
- SR-71 заправлялся в воздухе после «разогрева» конструкции, ибо на земле его топливные баки были «дырявыми», в полёте на длительных этапах некоторые элементы конструкции и отсеки охлаждались специальным топливом (JP-7) или специальными системами кондиционирования;
- перехватчику МиГ-25 – ввели ограничение длительности полёта на больших скоростях, специальное топливо (керосин Т-6) для высотных скоростных полётов, специальные системы охлаждения на основе топлива и спирто-водяных смесей… (на разведчике – свыше 400 литров)….
Но не только тепловой барьер закрыл дорогу к гиперзвуковым скоростям. Эффективность турбореактивных двигателей падает на больших скоростях. Если очень просто, то – в воздухозаборнике и воздушном канале поток воздуха тормозится и разогревается, а в двигатель попадает уже горячим, следовательно, для «подогрева» до предельной температуры для двигателя надо подавать меньше топлива, а меньше топлива – меньше тяга двигателей. Например, у SR-71 при числах Маха около 3 турбореактивный контур двигателя обеспечивает только 20 % тяги, а 80 % тяги обеспечивает внешний - прямоточный контур.
Итак, ТРД не способен развить тягу, достаточную для разгона самолета до гиперзвуковой скорости. Требуется гиперзвуковой двигатель - вариант прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД), который отличается от обычного сверхзвуковым сгоранием. На больших скоростях для сохранения эффективности двигателя необходимо избежать торможения приходящего воздуха и производить сжигание топлива в сверхзвуковом воздушном потоке. Верхний предел скорости гиперзвукового ПВРД (ГПВРД) без использования дополнительного окислителя оценивается в М=12—24. Но для работы гиперзвуковой ПВРД нуждается в проходящем сквозь него сверхзвуковом воздушном потоке, поэтому, этот тип двигателя имеет минимальную скорость, при которой он может функционировать, примерно равную М=7—8. Таким образом, аппарат с ГПВРД нуждается в другом способе ускорения до скорости, достаточной для работы гиперзвукового двигателя. Иначе говоря, гиперзвуковой самолёт должен стартовать на турбореактивных двигателях, на малом сверхзвуке (до 3М) двигатель должен «превратиться» в прямоточный, а на 5-7 М – в гиперзвуковой ПВРД (ГПВРД). ГПВРД тоже имеет ограничение по применению – так при скорости М=25 тепло, выделяемое при сгорании топлива, составляет около 10% от общей энтальпии воздушного потока, то есть двигатель «вырождается».
Теперь немного о реальных экспериментах:
North American X-15 - экспериментальный самолёт-ракетоплан США, оснащённый ракетными двигателями. Первый и в течение 40 лет единственный в истории пилотируемый гиперзвуковой летательный аппарат-самолёт, совершавший суборбитальные пилотируемые космические полёты. Основная задача проекта Х-15 — изучение принципиальной возможности создания пилотируемого суборбитального гиперзвукового бомбардировщика, для чего требовалось изучение условий полета на гиперзвуковых скоростях и входа в атмосферу крылатых аппаратов, оценка новых конструкторских решений, теплозащитных покрытий, психофизиологических аспектов управления в верхних слоях атмосферы. Первый полёт совершил 8 июня 1959 года. Всего построено 3 самолёта. Самолёт стартовал по технологии воздушного старта из-под крыла стратегического бомбардировщика «B-52» (подвешивался под крылом), отцепка от носителя производилась на высоте порядка 15 км, приземлялся самостоятельно на авиабазе, расположенной на дне высохшего солёного озера. В наиболее обобщённом плане, алгоритм полёта был таков: старт с самолёта-носителя, набор высоты, выход за пределы земной атмосферы на околоземную орбиту, подъём до практического потолка, спуск до границ земной атмосферы, вхождение в атмосферу и прохождение её верхних слоёв, планирование, снижение, посадка. Общее время полёта от старта до приземления составляло около 15 минут. Всего по программе Х-15, до декабря 1970 года, было выполнено 199 полётов. Рекордным полётом, совершённым по программе Х-15, стал полёт пилота Джо Уокера 22 августа 1963 года. В полёте достигнуты: максимальная скорость — 7274 км/ч., максимальная высота — 107,96 км. Профиль этого полёта выглядел приблизительно следующим образом: после отделения от самолёта-носителя жидкостный ракетный двигатель X-15 включился на 85 секунд. К моменту выключения двигателя ускорение составило порядка 4 G (39 м/с). В апогее траектории аппарат вышел за пределы атмосферы, невесомость продолжалась около 4 минут. В течение этого времени пилот провёл запланированные исследования, сориентировал (с помощью струйных газовых рулей) аппарат для входа в атмосферу. При возвращении в атмосферу внешняя обшивка аппарата местами нагревалась до 650 °C. Перегрузки на участке возвращения в атмосферу достигли 5 G в течение 20 секунд. Общее время полёта от момента отделения от носителя до приземления составило 12 минут. Предпоследний полёт окончился катастрофой, когда внезапно было потеряно управление и самолёт разрушился в воздухе при скорости 5М на высоте 18,9 км.
Исследования в рамках проекта «X-30» фирмы Роквелл в 80-х годах XX-го века установили верхнее значение скорости для работы ГПВРД, соответствующим М=17 в связи с обеспечением условий для сгорания в двигателе.
16 ноября 2004 году с летящего на высоте 12 км. В-52 стартовал беспилотный аппарат Х-43А, и на нем была достигнута скорость в 9,8 М, - 11263 км/ч. На такой скорости путешествие из Москвы в Нью-Йорк заняло бы 41 минуту.
X-43 — беспилотный экспериментальный гиперзвуковой летательный аппарат. Первый вариант X-43A разрабатывался с целью достижения скорости выше числа Маха 7 на высоте 30 000 м или более. Разрабатывался как система одноразового использования. Построено всего три модели. Первый полёт - июнь 2001 года (из-за отказа системы управления, уничтожен через 11 секунд после сброса, упал в Тихом океане). Два других в 2004 году успешно выполнили программу полётов — прямоточный реактивный двигатель работал 10 секунд, затем следовало 10-минутное планерное снижение. Обе модели утонули в Тихом океане. Ещё один полученный опыт - летательный аппарат, двигающий на гиперзвуке, формирует вокруг себя плазму, это также несёт новые проблемы. Например причиной потери управления Х-43 в 2001 называют именно плазменный «кокон» заблокировавший все виды связи с экспериментальным Х-43.
Высокая стоимость лётных испытаний и невозможность полноценных наземных сдерживает развитие гиперзвуковых самолётов. Наземные испытания в основном сосредоточены на частичном моделировании условий полёта и производились в криогенных установках, газодинамических установках на базе ракетных двигателей, ударных тоннелях и плазмогенераторах, но все они лишь приближённо моделируют реальный полёт. Только в последнее время в вычислительной гидрогазодинамике было накоплено достаточно экспериментальных данных для реалистичного компьютерного моделирования с целью решения проблем работы аппаратов с ГПВРД, а именно для моделирования приграничного слоя воздуха, смешивания топлива с потоком воздуха; двухфазного течения потока; отрыва (отделения) потока; аэротермодинамики реального газа. Как правило, используются ограниченные модели с поиском численных решений «жёстких систем» дифференциальных уравнений, для которых необходим малый шаг интегрирования и поэтому требуется много машинного времени. Тем не менее, эта область все еще остается малоизученной областью.
И конечно не маловажен и другой, главный вопрос – рентабельны ли гиперзвуковые полеты, будут они когда-либо рентабельны? В СССР велись чисто научные исследования, к практическим экспериментам не переходя, ну если только в художественном фильме 1961 года «Барьер неизвестности»...
На основе сказанного очень странно выглядят некоторые сообщения СМИ о том, что Россия разрабатывает гиперзвуковые самолёты, в том числе гражданского назначения. Даже фотки какие-то лепят. Это наверно из той же области как – минимальный размер оплаты труда в России превышает в 5 раз прожиточный минимум. Уря!