Гиперзвуковой зуд, или Что могут летательные аппараты на гиперзвуке

Последнее время, что ни день, натыкаешься на сообщения по гиперзвуку: «Головные части ракет маневрируют, летят на гиперзвуке и на межконтинентальную дальность…» «В России идут испытания гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя!» И так далее, и тому подобное.

Перед глазами простого обывателя сразу встает фантастическая картина — гиперзвуковые самолеты взлетают и поражают своими ракетами, опять же на гиперзвуке, межконтинентальные цели… И сами самолеты и их ГПВРД ракеты — невидимы и не перехватываемы.

Так ли это? Посмотрим.
Снова на глаза попалась статья «Гиперзвуковой, прямоточный, летает» в «Технике — молодежи» от 1991 года. В статье пишется:

«ГПВРД или, как говорят, «гиперзвуковая прямоточка», позволит долететь из Москвы в Нью-Йорк за 2-3 часа, уходить крылатой машине из атмосферы в космос. Воздушно-космическому самолету не понадобиться ни самолет-разгонщик, как для «Зенгера», ни ракета-носитель, как для «шаттлов» и «Бурана», — доставка грузов на орбиту обойдется чуть ли не вдесятеро дешевле». Статью писали Юрий ШИХМАН и Вячеслав СЕМЕНОВ, научные сотрудники ЦИАМ.

Конечно, с обеими я был хорошо знаком, так как участвовал с ними во многих работах по тематике института. В том числе и по тематике ГПВРД. Хотя к основным и главным моя часть работы не относилась, тем не менее, была необходимой и важной. К этой работе меня подключили в ещё в году 84-м, ещё молодым специалистом и м.н.с. Тогда ещё ведущим над всеми работами по теме «Холод» в ЦИАМ был Рувим Исаевич Курзинер.

Опытный ГПВРД по теме «Холод», или изделие 057, в составе гиперзвуковой летающей лаборатории (ГЛЛ) представлял собой исследовательский объект, главная задача которого — демонстрация возможности горения топливовоздушной смеси при сверхзвуковой скорости истечения рабочего тела в контуре камеры сгорания. На земле смоделировать все режимы горения не представлялось возможным, поэтому такую задачу было решено исследовать в реальных условиях полета.

В качестве носителя, разгонщика и моделирующего режимы полета для исследования была использована зенитная ракета 5В28 комплекса С-200В (SA-5). Вместо головной части к ней стыковался ГЛЛ с ГПВРД с топливным баком и системами управления и обслуживания.

Первый полет ГЛЛ с ГПВРД был осуществлен 28 ноября 1991 года. В первом летном испытании ГПВРД максимальное число М составило 5,8, двигатель суммарно проработал 28 секунд, в процессе полета он дважды включался автоматически. Таким образом, впервые в мире в условиях летного испытания была доказана работоспособность гиперзвукового ПВРД (журнал «Двигатель» №6 от 2006 года).

За 1991-98 годы было произведено около 8 пусков (с учетом бросковых). В исследованиях экспериментального ГПВРД кроме российских специалистов приняли участие французы — в 1992 и 1995 годах по контрактам с Национальным научным центром Франции (ONERA), а в 1997 и 1998 годах — американцы, по контракту с Национальным космическим агентством США (NASA).

Итак, прошло больше 20 лет. Что мы имеем?

Есть ли летательные аппараты на гиперзвуке, то есть летающие на гиперскоростях (М>5)? Есть!

Во-первых, были орбитальные корабли «Буран» и шаттл. Возвращающийся с орбиты «Буран», например, примерно полчаса планирует на гиперзвуке на дальность порядка 8000 км с высоты 100 км и до 20 км.

Тактико-технические характеристики ОК «Буран» в режиме спуска на гиперзвуковых скоростях:
— стартовая масса — 105 тонн
— дальность до посадочной полосы — 8270 км
— скорость на траектории спуска — 7,592…0,520 км/сек (27330-1872 км/час) ок. 27-1,8 Мах
— диапазон высоты спуска — 100…20 км

Проведем «мысленный эксперимент». А можно ли весь этот посадочный профиль «гиперзвукового орбитального корабля» «Буран» провернуть назад?
Можно!
Только для этого нужна ракета-носитель «Энергия».

«А если на ГПРД?» — спросит читатель. Можно. Но для этого придется для обеспечения выхода ГПРД на режим сначала «толкнуть» всю систему чем-то подобным ПРД, т.е. разгонным «пороховичком». А потом довывести до круговой орбиты, «подпитывая» двигатели запасенным кислородом или на чистом ЖРД. В итоге «экономия» на окислителе, при использовании кислорода атмосферы на ГПВРД, составит ну что-то примерно 20%. Но зато столько сложностей, что не приведи господи!

А задумывали ли инженеры такого рода «экономные системы», использующие забортный воздух? Да сколько угодно! Те же «Зенгер» и «Хотол».

И… скромно скажем — ранние версии, всемирно известного теперь МБР «Тополь». Да, действительно так! Вся эта система называлась «Гном»

«Гном» — трехступенчатая межконтинентальная баллистическая ракета, оснащенная прямоточным твердотопливным маршевым двигателем первой ступени, твердотопливными двигателями второй и третьей ступеней и ускорителем. Проектирование велась с начала 60-х годов в КБ машиностроения (г. Коломна) под руководством Бориса Шавырина.

Максимальная дальность стрельбы – 11000 км
Стартовая масса – 29 т
Масса полезной нагрузки – 470 кг
Длина ракеты — 16,14 м
Количество ступеней – 3.

В дальнейшем конструктор МИТ А.Д. Надирадзе, опираясь на имеющийся уже у него опыт создания мобильной ОТР «Темп», предложил проект МБР на обычных твердотопливных двигателях. Его поддержало руководство Миноборонпрома, и в результате мы получили 45-тонный мобильный грунтовой межконтинентальный «Темп-2С». Далее, его модернизации и усовершенствования — «Пионеры» (РСД) и «Тополя» (МБР)…

Многие в этом видят его коварство (45 тонн вместо обещанных 29). Тем не менее, и с «Гномом» могло получиться то же самое. Одно дело расчеты — совсем другое практическая реализация!

Сверхзвуковая межконтинентальная крылатая ракета «Буря» («изделие 351»), ближе всех стоящая к требуемым параметрам ЛА с ГПВРД.

Длина, м — 20,396
Размах крыла, м — 7,746
Высота, м — 6,642
Площадь крыла, м² — 44,6
Стартовая масса, кг — 98.280
Масса начальная маршевой ступени, кг — 33.522
Масса головной части, кг — 3403
Скорость маршевая, км/ч — 3300
Высота полета, км — 18 — 25,5
Дальность, км — 7830

Чисто теоретически, эту систему, используя современные материалы, топлива, твердотопливные «разгонники», можно ускорить, вероятно, и до 5 махов. Только вот в чем вопрос: а будут ли у него суперпревосходства относительно существующих МБР?

Время подлета к цели на максимальную дальность составит примерно 1,5 часа (МБР — 30 минут).

Некоторые преимущества будут — например, запаздывание с обнаружением.
МБР обнаруживается довольно быстро, во-первых — начальный факел, во-вторых — большая восходящая высота баллистической траектории (до 1600км).

Хотя наши последние «Тополя-М» и «Ярсы» и иже с ними того же семейства, говорят, могут летать и по другим, например, квазинастильным круговым трассам (100-200 км), потому-то у них энерговооруженность и масса существенно отличаются от худосочных «Минитменов», оптимизированных под баллистические траектории.

Мне в связи с этим вспоминаются язвительные восторги инженера-ракетчика НАСА (или Пентагона) — «де, русские не умеют делать ракеты, у них даже современные тяжелее и габаритнее наших, разработки 70-х годов». Возгласы, правда, быстро утихли. Видимо, более квалифицированные товарищи ему объяснили, в чем тут дело…

Так вот, главный вопрос с гиперзвуковыми самолетами-ракетами, — нужны ли они, или воздержимся пока?

Как мы видели — ракеты и орбитальные корабли уже давно были реализованы, правда не на ГПВРД.

А насчет самолетов…

Военные уже свыше 20 лет держатся на цифре М<3,5 (SR-71, «Сотка», Миг-31). Дальнейшее увеличение скорости не предполагает получения дополнительных преимуществ, все равно зенитные ракеты на твердотопливных двигателях достанут, если уж перехватывают головки МБР и спутники на 1-й космической.

Насчет гражданских лайнеров…

Думается мне, такие быстроходные самолеты-лайнеры были нужны до эпохи Интернета. Почему, спросите вы? А потому, что теперь уже бизнесменам-коммерсантам да и чиновникам разных мастей не нужно столь стремительно мчаться по континентам-материкам: быстрее электронной подписи и видеоконференций всё равно не получится.

А если всё же кому-то приспичило — увидеть новорожденного сына или запустить план его рождения, — придется умерить прыть. И медленно «тошнить», как говорят мои друзья, самовлюбленные эгоисты марки BMW, вечерней лошадью в виде магистрального или межконтинентального «арбуза» или «Боинга» со средней скоростью 900 км/час, чай, не на тот свет опаздываем…

А вот гиперзвуковых двигателей — ГПВРД, главный отличительный признак которых — сверхзвуковое истечение рабочего тела через камеру сгорания, пока не создали. Может быть, у кого-то и получится. Причем у разработчиков, которых не предупредили, что это невозможно, а они, того не зная, взяли и реализовали фантастический проект. Такие примеры история науки и техники тоже знает…

—————————————————————————
* В двигателестроении различают два вида неустойчивой работы реактивных двигателей — «помпаж» и «зуд» на входе. «Зуд» — высокочастотная пульсация воздуха в области сверхкритических режимов работы входного диффузора двигателя, воспринимается как характерный зудящий звук. В отличие от него, «помпаж» — более низкочастотные колебания. Причиной «зуда» служат срывы потока в канале за горлом диффузора.

/По материалам topwar.ru/