Гиперзвуковая суета: в погоне за скоростью

Гиперзвук становится следующим ключевым параметром платформ вооружения и наблюдения и поэтому стоит пристальнее взглянуть на исследования, проводимые в этой области США, Россией и Индией

Министерство обороны США и другие правительственные структуры разрабатывают гиперзвуковую технологию для двух ближайших и одной долгосрочной целей. По словам руководителя отдела высокоскоростных систем в исследовательской лаборатории ВВС США (AFRL) Роберта Мерсье, двумя ближними целями являются гиперзвуковое оружие, технологическая готовность которого ожидается в начале 20-х годов, и беспилотный аппарат наблюдения, который будет готов к развертыванию в конце 20-х или начале 30-х годов, а гиперзвуковые аппараты последуют в более отдаленном будущем.

«Освоение космоса с помощью аппаратов с воздушно-реактивным двигателем — это гораздо более отдаленная перспектива, — сообщил он в одном из интервью. — Маловероятно, что гиперзвуковые космические аппараты будут готовы ранее 2050-х годов». Мерсье добавил, что генеральная стратегия развития заключается в том, чтобы начать с малого вооружения и затем, по мере развития технологий и материалов, расшириться до воздушных и космических аппаратов.

Спиро Лекудис, директор департамента систем вооружения, закупок, технологий и снабжения в минобороны, подтвердил, что гиперзвуковое оружие, скорее всего, станет первой программой закупок, которая появится после разработки этой технологии министерством и его партнерскими организациями. «Летательный аппарат определенно является существенно более долгосрочным проектом, чем оружие», — сказал он в своем интервью. Ожидается, что ВВС США проведут демонстрацию высокоскоростного ударного оружия HSSW (High Speed Strike Weapon) — совместная разработка с Управлением перспективных оборонных исследований (DARPA) – примерно в 2020 году, тогда то Пентагон и решит, как лучше всего перенести эту технологию в программу разработки и закупки гиперзвуковой ракеты.

«Существуют две основных исследовательских работы, направленных на демонстрацию технологии HSSW, — рассказывает Билл Джиллард, разработчик планов и программ в AFRL. — Первая — это программа тактического разгона-планирования TBG (Tactical BoosWSIide), разрабатываемая компаниями Lockheed Martin и Raytheon, а вторая программа — гиперзвуковая концепция оружия с воздушно-реактивным двигателем HAWC (Hypersonic Air-breathing Weapon Concept), возглавляемая Boeing».

«Между тем, лаборатория AFRL проводит еще одно фундаментальное исследование с целью дополнения проектов DARPA и ВВС США», — заметил Джиллард. Например, в рамках проверки концепции гиперзвукового многоразового аппарата REACH (reusable aircraft concept for hypersonics) помимо исследования основных материалов проведено несколько экспериментов с небольшими и средними прямоточными воздушно-реактивными двигателями. «Нашей целью является продвижение базы данных и разработка и демонстрация технологий, которые можно взять для создания новых систем». Длительные фундаментальные исследования AFRL в области совершенствования керамоматричных композиционных и других жаропрочных материалов чрезвычайно важны для создания перспективных гиперзвуковых аппаратов.

AFRL и другие пентагоновские лаборатории интенсивно работают над двумя основными аспектами перспективных гиперзвуковых аппаратов: возможность многократного использования и увеличение их размеров. «В лаборатории AFRL существует даже некая тенденция, направленная на содействие развитию концепции многоразового применения и более крупного размера гиперзвуковых систем, — сказал Джиллард. — Мы сосредоточили все эти технологии на таких проектах как Х-51, и REACH станет еще одним».

Гиперзвуковая крылатая ракета Х-51А WaveRider

«Демонстрация ракеты Х-51А WaveRider разработки Boeing, проведенная в 2013 году, ляжет в основу планов ВВС США по вооружению гиперзвуковых аппаратов, — утверждает Джон Легер, главный инженер аэрокосмических проектов в департаменте вооружений лаборатории AFRL. — Мы изучаем опыт, полученный при разработке проекта Х-51, и используем его при разработке HSSW».

Одновременно с проектом гиперзвуковой крылатой ракеты Х-51 различные исследовательские организации также разрабатывали более крупные (10х) прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ПВРД), которые «потребляют» в 10 раз больше воздуха, чем двигатель Х-51. «Эти двигатели идеально подойдут для таких систем как, высокоскоростные платформы наблюдения, разведки и сбора информации и атмосферные крылатые ракеты, — заметил Джиллард. — И, в конечном счете, в наших планах двигаться дальше к цифре 100, которая позволит получить доступ в космос с помощью воздушно-реактивных систем».

В AFRL также изучают возможность интеграции гиперзвукового ПВРД с высокооборотным турбинным двигателем или ракетой с тем, чтобы иметь достаточную для достижения больших чисел Маха движущую силу. «Мы изучаем все возможности повышения эффективности работы двигателей сверхзвукового аппарата. Условия, в которых им предстоит летать, не совсем благоприятные».

1 мая 2013 года успешно прошли летные испытания ракеты Х-51А WaveRider. Экспериментальный аппарат отстыковался от самолета В-52Н и разогнался при помощи ракетного ускорителя до скорости 4,8 чисел Маха (М=4,8). Затем Х-51А отделился от ускорителя и запустил собственный двигатель, ускорился до 5,1 числа Маха и пролетел 210 секунд, пока не выгорело все топливо. ВВС собрали все телеметрические данные за 370 секунд полета. Подразделение Rocketdyne компании Pratt & Whitney разработало двигатель для аппарата WaveRider. Позднее это подразделение было продано компании Aerojet, которая продолжает работу по гиперзвуковым силовым установкам, но никаких подробностей не на эту тему предоставляет.

Ранее с 2003 по 2011 год компания Lockheed Martin работала с DARPA над первоначальной концепцией гиперзвукового аппарата Falcon Hypersonic Technology Vehicle-2. Разгонным движителем для этих аппаратов, запуски которых осуществлялись с авиабазы Ванденберг в Калифорнии, служила легкая ракета Minotaur IV. Первый полет HTV-2 в 2010 году позволил собрать данные, которые продемонстрировали прогресс в аэродинамических характеристиках, жаропрочных материалах, системах тепловой защиты, системах безопасности автономных полетов и системах наведения, навигации и контроля гиперзвукового полета большой продолжительности.
Два демонстрационных запуска были успешно проведены в апреле 2010 года и августе 2011 года, но, по данным заявлений DARPA, оба раза аппараты Falcon во время полета, пытаясь достичь запланированной скорости М=20, на несколько минут теряли связь с центром управления.

Результаты программы Х-51А теперь используются в проекте HSSW. Вооружение и система наведения разрабатываются в рамках двух демонстрационных программ: HAWC и TBG. DARPA выдало в апреле 2014 года компаниям Raytheon и Lockheed Martin контракты на продолжение разработки программы TBG. Компании получили 20 и 24 миллиона долларов соответственно. А компания Boeing, тем временем, развивает проект HAWC. Она и DARPA отказываются давать какие-либо детали об этом контракте.

Рисунок отделившегося высокоскоростного ударного оружия HSSW (High Speed Strike Weapon) в полете, ВВС США рассчитывают провести демонстрацию системы (совместная разработка с Управлением DARPA) примерно в 2020 году

Компания Lockheed Martin с 2003 по 2011 год работала с DARPA над предыдущей концепцией гиперзвукового аппарата Falcon Hypersonic Technology Vehicle-2. На рисунке отделившийся аппарат Falcon в полете

Целью программ TBG и HAWC является ускорение систем вооружения до скорости М=5 и дальнейшее их планирование на свою цель. Подобное вооружение должно быть маневренным и чрезвычайно устойчивым к нагреву. В конечном счете, эти системы смогут достичь высоты почти 60 км. Боевая часть, разрабатываемая для гиперзвуковой ракеты, имеет массу 76 кг, что примерно равно массе бомбы малого диаметра SDB (Small Diameter Bomb).

В то время как в проекте Х-51А была успешно продемонстрирована интеграция летательного аппарата и гиперзвукового двигателя, упор в проектах TBG и HAWC будет сделан на продвинутое наведение и управление, что не было полностью реализовано в проектах Falcon или WaveRider. Подсистемами головок самонаведения (ГСН) занимаются в нескольких лабораториях ВВС США по вооружению с целью дальнейшего повышения возможностей гиперзвуковых систем. В марте 2014 года в заявлении DARPA было сказано о том, что в рамках проекта TBG, который должен завершиться демонстрационным полетом к 2020 году, компании-партнеры пытаются разработать технологии для тактической гиперзвуковой планирующей системы с ракетным ускорителем, запускаемой с самолета-носителя.

«Программа будет направлена на решение проблем, связанных с системой и технологиями, необходимыми, для того, чтобы создать гиперзвуковую планирующую систему с ракетным ускорителем. К ним относятся разработка концепций аппарата с необходимыми аэродинамическими и аэротермодинамическими характеристиками; управляемость и надежность в широком диапазоне условий эксплуатации; характеристики системы и подсистемы, необходимые для эффективности в соответствующих условиях эксплуатации; наконец, подходы для снижения стоимости и повышения ценовой доступности экспериментальной системы и будущих серийных систем», — говорится в заявлении. Летательный аппарат для проекта TBG представляет собой боевую часть, которая отделяется от ускорителя и планирует на скоростях до М=10 и более.

Тем временем, в рамках программы HAWC, следующей за проектом Х-51А, будет продемонстрирована гиперзвуковая крылатая ракета с ПВРД на меньших скоростях — примерно М=5 и выше. «Технологии HAWC могут расшириться до перспективных многоразовых гиперзвуковых воздушных платформ, которые можно будет использовать в качестве разведывательных средств или доступа в космическое пространство,» говорится в заявлении DARPA. Ни DARPA, ни головной подрядчик Boeing не раскрывают всех деталей своей совместной программы.

Хотя главными целями министерства обороны в области гиперзвука являются системы вооружения и разведывательные платформы, DARPA в 2013 году начала новую программу по разработке многоразового беспилотного гиперзвукового ускорителя для запуска малоразмерных спутников массой 1360-2270 кг на низкую орбиту, который одновременно будет служить в качестве испытательной лаборатории для гиперзвуковых аппаратов. Согласно заявлению Конгресса, в июле 2015 года Управление выдало контракт компании Boeing и ее партнеру Blue Origin стоимостью 6,6 миллиона долларов на продолжение работ по экспериментальному космическому самолету XS-1 Experimental Spaceplane. В августе 2014 года компания Northrop Grumman объявила о том, что в сотрудничестве с Scaled Composites и Virgin Galactic она также работает над техническим проектом и планом демонстрационных полетов программы XS-1. Компания получила 13-месячный контракт стоимостью 3,9 миллиона долларов.

Ожидается, что XS-1 будет иметь многоразовый стартовый ускоритель, который в комбинации с одноразовой разгонной ступенью, обеспечит доступную по средствам доставку аппарат класса 1360 кг на низкую околоземную орбиту. Кроме дешевого запуска, оцениваемого в одну десятую стоимости нынешнего запуска тяжелой ракеты, XS-1, скорее всего, послужит также испытательной лабораторией для новых гиперзвуковых аппаратов.

DARPA хотело бы в перспективе запускать XS-1 каждый день по цене менее 5 миллионов за полет. Управление хочет получить аппарат, который сможет достичь скоростей более 10 чисел Маха. Запрашиваемые принципы работы «как у самолета» включают горизонтальную посадку на стандартные посадочные полосы, кроме того, запуск должен производиться с подъемной пусковой установки, плюс должны быть минимальная инфраструктура и наземный персонал и высокий уровень автономности. Первый тестовый орбитальный полет запланирован на 2018 год.

После нескольких неудачных попыток НАСА, начавшихся еще в 80-х годах, разработать систему подобную XS-1, военные исследователи теперь полагают, что технология уже достаточно развилась и связано это с прогрессом в сфере легких и дешевых композиционных материалов и улучшенной тепловой защиты.

XS-1 — это один из нескольких проектов Пентагона, направленный на снижение стоимости запуска спутников. В связи с сокращением американского оборонного бюджета и наращиванием возможностей других стран рутинный доступ в космос становится все более приоритетным для национальной безопасности. Использование тяжелых ракет для запуска спутников дорого и требует тщательно продуманной стратегии на фоне немногочисленных возможностей. Подобные традиционные запуски могут стоить сотни миллионов долларов и потребовать обслуживания дорогой инфраструктуры. В связи с тем, что ВВС США настаивают на том, чтобы законодатели издали постановление о приостановке использования российских ракетных двигателей РД-180 для запуска американских спутников, исследования DARPA в области гиперзвука помогут существенно сократить путь, который необходимо будет пройти, опираясь только лишь на собственные силы и средства.

(вверху) Во время последнего четвертого полета ракета Х-51А WaveRider достигла 5,1 Маха и пролетела 230 морских миль всего за шесть минут. Это самый продолжительный гиперзвуковой полет с ПВРД на сегодняшний день;
(в центре) рисунок предлагаемого компанией Northrop Grumman воздушно-космического самолета XS-1, хотя основными целями министерства обороны в сфере разработки гиперзвуковых систем является вооружение и разведывательные аппараты;
(внизу) концепция аппарата космического запуска Boeing XS-1. Кроме низкой стоимости запуска, оцениваемого в одну десятую запуска тяжелой ракеты, ожидается, что XS-1 также будет служить в качестве летающей лаборатории для новых гиперзвуковых аппаратов

Россия: наверстать упущенное время

В конце существования Советского Союза машиностроительное конструкторское бюро МКБ «Радуга» из Дубны спроектировало ГЕЛА (Гиперзвуковой Экспериментальный Летательный Аппарат), который должен был стать прототипом стратегической ракеты воздушного запуска Х-90 («Изделие 40») с прямоточным воздушно-реактивным двигателем «Изделие 58» разработки ТМКБ (Тураевское машиностроительное КБ) «Союз». Ракета должна была быть способна разгоняться до скорости 4,5 чисел Маха и иметь дальность действия 3000 км. В комплект штатного вооружения модернизированного стратегического бомбардировщика Ту-160М должны были войти две ракеты Х-90. Работы по сверхзвуковой крылатой ракете Х-90 были прекращены в 1992 году на стадии лабораторного образца, а сам аппарат ГЕЛА был показан в 1995 году на авиационной выставке МАКС.

Самая исчерпывающая информация о текущих программах гиперзвукового оружия воздушного запуска была представлена бывшим командующим Генерального штаба российских ВВС Александром Зелиным на лекции, прочтенной им на конференции производителей авиационной техники в Москве в апреле 2013 года. По словам Зелина, Россия выполняет двухэтапную программу разработки гиперзвуковой ракеты. Первый этапом предусматривается разработка к 2020 году ракеты субстратегического уровня воздушного пуска с дальностью действия 1500 км и скоростью примерно М=6. Далее в следующем десятилетии должна быть разработана ракета со скоростью 12 чисел Маха, способной долететь до любой точки земного шара.

Скорее всего, ракета со скоростью 6 Махов, упомянутая Зелиным, представляет собой «Изделие 75», также имеющее обозначение ГЗУР (ГиперЗвуковая Управляемая Ракета), которая в настоящее время находится на стадии технического проекта в Корпорации «Тактическое ракетное вооружение». «Изделие 75», по всей видимости, имеет длину 6 метров (максимальный размер, который может принять бомбовый отсек Ту-95МС; она также может разместиться в отсеке вооружения бомбардировщика Ту-22М) и весит около 1500 кг. В движение она должна приводиться ПВРД «Изделие 70» разработки ТМКБ «Союз». Ее активная радиолокационная головка самонаведения Гран-75 в настоящее время разрабатывает УПКБ «Деталь» в Каменск-Уральском, тогда как широкополосная пассивная ГСН изготавливается омским ЦКБА.

В 2012 году Россия начала летные испытания экспериментального гиперзвукового аппарата, закрепленного на подвесе дальнего сверхзвукового ракетоносца-бомбардировщика Ту-23МЗ (обозначение НАТО «Backfire»). He ранее 2013 года этот аппарат совершил свой первый свободный полет. Гиперзвуковой аппарат устанавливается в носовом отсеке ракеты Х-22 (AS-4 «Kitchen»), используемой в качестве стартового ускорителя. Подобная комбинация имеет длину 12 метров и весит около 6 тонн; гиперзвуковой компонент имеет длину около 5 метров. В 2012 году дубненский машиностроительный завод завершил строительство четырех сверхзвуковых крылатых противокорабельных ракет воздушного базирования Х-22 (без ГСН и боевых частей) для задействования в испытаниях гиперзвуковых аппаратов. Ракета запускается с подкрыльевого подвеса Ту-22МЗ на скоростях до 1,7 Маха и высотах до 14 км и ускоряет тестовый аппарат до скорости 6,3 Маха и высоты 21 км прежде, чем запустить тестовый компонент, который, по всей видимости, развивает скорость 8 чисел Маха.

Российская экспериментальная гиперзвуковая ракета проходит летные испытания с 2012 года

Ожидалось, что Россия приняла участие в подобных летных испытаниях французского гиперзвукового аппарата MBDA LEA с пуском с «Backfire». Впрочем, по имеющимся данным, тестовый гиперзвуковой компонент является исконно российским проектом.

В октябре-ноябре 2012 года Россия и Индия заключили предварительное соглашение по работе над гиперзвуковой ракетой BrahMos-II. Схема кооперации включает «НПО Машиностроения» (ракета), ТМКБ «Союз» (двигатель), ЦАГИ (исследование аэродинамики) и ЦИАМ (разработка двигателя).

Индия: новый игрок на поле

После соглашения по совместной разработке с Россией в 1998 году стартовала индийская программа по ракете BrahMos. Согласно соглашению, основными партнерами выступили российское «НПО Машиностроения» и индийская организация по оборонным исследованиям и разработкам (DRDO).

Первый ее вариант представляет собой сверхзвуковую крылатую двухступенчатую ракету с радиолокационным наведением. Твердотопливный двигатель первой ступени ускоряет ракету до сверхзвуковых скоростей, тогда как жидкостной ПВРД второй ступени разгоняет ракету до скорости M=2,8. BrahMos, по сути, представляет собой индийский вариант российской ракеты «Яхонт».

В то время как ракета BrahMos была уже поставлена в индийскую армию, флот и авиацию, решение о начале разработки силами уже сложившегося партнерства гиперзвукового варианта ракеты BrahMos-II было принято в 2009 году.

В соответствии с техническим проектом, BrahMos-ll (Kalam) будет летать на скоростях свыше 6 чисел Маха и иметь более высокую точность по сравнению с вариантом BrahMos-А. Ракета будет иметь максимальную дальность действия 290 км, которая ограничена Режимом контроля за ракетными технологиями, подписанным Россией (он ограничивает для страны-партнера разработку ракет с дальностью более 300 км). С целью повышения скорости в ракете BrahMos-2 будет использован гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель и, по данным ряда источников, российская промышленность разрабатывает для него специальное топливо.

Для проекта BrahMos-II было принято ключевое решение сохранить физические параметры предыдущего варианта с тем, чтобы новая ракета могла использовать уже разработанные пусковые установки и другую инфраструктуру.

В набор целей, определенный для нового варианта, входят укрепленные цели, например подземные убежища и склады с вооружением.

Масштабная модель ракеты BrahMos-II была показана на выставке Aero India 2013, а испытания прототипа должны начаться в 2017 году. (На недавно прошедшей выставке Aero India 2017 был представлен истребитель Су-30МКИ с ракетой Brahmos на подкрыльевом пилоне). В 2015 году в одном из интервью исполнительный директор компании Brahmos Aerospace Кумар Мишра сообщил, что точная конфигурация ещё должна быть утверждена и что полноценный опытный образец ожидается не ранее 2022 года.

Су-30МКИ с ракетой BrahMos на выставке Aero India 2017

Одна из основных проблем заключается в поиске конструктивных решений для BrahMos-II, которые позволили бы ракете выдерживать экстремальные температуры и нагрузки, действующие во время гиперзвукового полета. Среди сложнейших проблем — поиск самых подходящих материалов для изготовления этой ракеты.

Предполагается, что DRDO инвестировала примерно 250 миллионов долларов в разработку гиперзвуковой ракеты; на данный момент проведены испытания гиперзвукового ВРД в лаборатории современных систем в Хайдарабаде, где, по сообщениям, в аэродинамической трубе была достигнута скорость М=5,26. Дальнейшие испытания технологического демонстратора BrahMos-II Hypersonic Technology Demonstrator Vehicle проходят в научном институте в Бангалоре, чья гиперзвуковая аэродинамическая труба играет ключевую роль в моделировании скорости, необходимой для тестирования различных элементов конструкции ракеты.

Понятно, что гиперзвуковая ракета будет поставляться только в Индию и Россию и не будет доступна для продажи третьим странам.

Лидер есть

В качестве самой мощной военной и экономической державы в мире Соединенные Штаты определяют тенденции разработок в сфере гиперзвука, но такие страны как Россия и Индия не позволяют им уйти далеко в отрыв.

Высшее командование ВВС США в 2014 году объявило о том, что в предстоящее десятилетие гиперзвуковые возможности выйдут на первое место в первой пятерке приоритетных разработок. Гиперзвуковое оружие будет затруднительно перехватить, оно даст возможность наносить удары на больших дальностях быстрее, чем позволяют нынешние ракетные технологии.

Кроме того, эта технология рассматривается некоторыми в качестве преемника технологии «стеле», поскольку оружие, двигающееся на высоких скоростях и на больших высотах, будет обладать лучшей живучестью, чем медленные низколетящие системы, то есть оно сможет поражать цели в оспариваемом пространстве с ограниченным доступом. Вследствие прогресса в области технологий ПВО и их быстрого распространения жизненно необходим поиск новых способов проникновения через «вражеские кордоны».

С этой целью американские законодатели заставляют Пентагон ускоренными темпами продвигать гиперзвуковую технологию. Многие из них указывают на разработки в Китае, России и даже в Индии в качестве обоснования более агрессивных усилий США в этом направлении. Палата представителей Конгресса в своем варианте закона об оборонных расходах заявила, что «они осведомлены о быстро развивающейся угрозе, связанной с разработками гиперзвукового оружия в стане потенциальных противников».

Они упоминают там о «нескольких недавних испытаниях гиперзвукового оружия, проведенных в Китае, а также о разработках в этой области в России и Индии» и призывают «энергично двигаться вперед». «Палата считает, что быстро растущие возможности могут стать угрозой национальной безопасности и нашим действующим войскам», — говорится в законе. В частности, в нем говорится также о том, что Пентагон должен использовать «оставшиеся от предыдущих гиперзвуковых испытаний технологии» для продолжения развития этой технологии.

Официальные представители ВВС США прогнозируют, что многоразовые гиперзвуковые летательные аппараты могут поступить на вооружение к 40-м годам и эксперты военных исследовательских лабораторий подтверждают эти оценки. Выход с конкурентным решением раньше потенциальных противников поставит Соединенные Штаты в выигрышное положение, особенно на Тихом океане, где преобладают большие расстояния и будут предпочтительны высокие скорости на больших высотах.

Предварительный макет российско-индийской ракеты BrahMos-II, показанный в 2013 году в качестве демонстрации намерений по совместной разработке гиперзвуковой ракеты

Поскольку технология, которая должна «созреть» в ближайшей перспективе, может быть применена при разработке вооружения и разведывательных летательных аппаратов, то возникает большой вопрос — в каком направлении прежде всего двинется Пентагон. Оба проекта Пентагона, проект по «арсенальному самолету», о котором впервые министр обороны Картер рассказал в феврале 2016 года, и новый дальний бомбардировщик Long-Range Strike Bomber (LRS-B)/B-21, являются платформами, которые могут нести полезную гиперзвуковую нагрузку, будь то вооружение или средства разведки и наблюдения.

Для остального мира, включая Россию и Индию, путь вперед менее четко определен, когда речь идет о длительных циклах разработки и будущем развертывании гиперзвуковой технологии и гиперзвуковых платформ.

/Alex Alexeev, topwar.ru/