Американское гиперзвуковое оружие

Американское гиперзвуковое оружие

Прогресс в области создания гиперзвукового транспорта и вооружений в последние десятилетия демонстрировал настолько скромные темпы, что даже ярых оптимистов превратил в хмурых скептиков. Тем не менее новейший план НИОКР военно-воздушных сил США уверенно утверждает: действующее гиперзвуковое оружие появится в распоряжении Штатов уже в 2020 году.

Минуло уже полвека с момента, когда СССР и США осознали потенциал гиперзвуковых вооружений и начали поиски в данном направлении. Со времен экзотического проекта стратегической ракеты ASALM из поздних 1970-х до последних полетов беспилотника-демонстратора Boeing X-51A прошло более 30 лет, а добиться устойчивой работы прямоточного воздушно-реактивного двигателя на гиперзвуковых скоростях по‑прежнему не удалось. Эта область исследований демонстрирует обескураживающе медленный прогресс. Тем не менее ВВС США обнародовало новый стратегический план по НИОКР, и он ясно показывает, что именно скорость остается одним из главных приоритетов американских военных.

На этот раз план измеряется не годами, а декадами. Однако конструкторские задачи и сроки их выполнения обозначены в нем с предельной точностью, а финансовая часть стратегии предполагает необходимые инвестиции, даже несмотря на тяжелые времена.

Разработка пилотируемого гиперзвукового самолета потребует создания сложнейшего двигателя, сочетающего в себе турбореактивный двигатель для дозвуковых и сверхзвуковых скоростей, а также ГПВРД для гиперзвука. Работа над этим мотором потребует развития как минимум четырех ключевых технологий.

Текущая стратегия предусматривает два основных временных горизонта. Уже к 2020 году планируется разработать гиперзвуковое ударное вооружение, то есть крылатую ракету с гиперзвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателем (ГПВРД).

К 2030 году на свет должен появиться разведывательный самолет, вероятно пилотируемый. «Данные сроки мы считаем разумными с точки зрения вложения средств, — говорит Кристофер Клэй, специалист подразделения ВВС по НИОКР, — однако в случае острой необходимости мы можем ускориться».

Главными действующими лицами, разумеется, будут Исследовательская лаборатория ВВС (AFRL) и Агентство по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам DARPA. К ним присоединится ряд зарубежных разработчиков. Планируется использовать наработки всех проектов, которые когда-либо велись, но были закрыты, отменены или приостановлены в связи с нехваткой средств.

К ним относится и X-51A, которому пока что отмерен последний испытательный полет, и закрытый по финансовым причинам проект Blackswift — уникального самолета с гибридной силовой установкой, сочетающей турбореактивный двигатель и ГПВРД в одном агрегате.

«В AFRL было запущено множество проектов, но ни один из них не набрал критической массы. Поэтому было решено выбрать всего два и полностью на них сконцентрироваться», — поясняет Клэй. Причем первый и ранее развивался неплохими темпами, а вот второй многие годы топтался на одном месте.


Живи ярко, умри рано

Технология 1. Общая впускная система

Очевидно, что форма воздухозаборника будет целиком и полностью продиктована нуждами гиперзвукового прямоточного двигателя. Однако инженерам предстоит добиться того, чтобы турбореактивный мотор мог полноценно питаться даже на сверхзвуковых скоростях. Фактически воздухозаборник должен быть трехрежимным. Также необходимо разработать систему переключения с ТРД на ГПВРД и обратно.

Технология 2. Двухрежимная камера сгорания прямоточного двигателя

Особенность гиперзвука в том, что на скоростях под 5 М топливо-воздушной смеси не требуется сжатия. Напротив, требуется обеспечить наименьшее сопротивление воздуха. На сверхзвуковых скоростях сжатие необходимо. Инженерам предстоит найти такую форму камеры сгорания, которая сможет стать компромиссом между сверхзвуком и гиперзвуком.

Технология 3. Общая выпускная система

Опыт X-51A показал, что обеспечение герметичного соединения камеры сгорания и сопла может стать проблемой. Кроме того, конфигурация сопла должна соответствовать нуждам турбореактивного двигателя для улучшения управляемости на средних скоростях.

Технология 4. Высокоскоростной турбореактивный двигатель

Чтобы добиться пересечения скоростных диапазонов ТРД и ГПВРД, необходимо повышать максимальную скорость турбореактивного двигателя вплоть до 4 М. Ограничения связаны, прежде всего, с перегревом турбины. Ключ к решению проблемы — использование термостойких материалов (композиты с керамической матрицей), высокотемпературных подшипников и продвинутых систем охлаждения.

Экспериментальный беспилотный аппарат NASA X-43 (на фото) установил рекорд скорости для летательных аппаратов с воздушно-реактивным двигателем, разогнавшись до 10617 км/ч, или 9,68 М. Рекордный полет третьего прототипа X-43 состоялся 16 ноября 2004. Разгонная ракета «Пегас», запущенная с борта бомбардировщика B-52, разогнала аппарат и отделилась на высоте 29000 м. За 10 секунд работы ГПВРД X-43 преодолел 24 км, поднявшись на высоту около 34000 м. Затем одноразовый аппарат был затоплен неподалеку от калифорнийского побережья.


Быстрая смерть

Под первым, относительно успешным проектом подразумевается Boeing X-51A. Несмотря на всего один наполовину удачный и два неудачных полета демонстратора ГПВРД, по‑прежнему планируется построить четвертый и последний образец к середине 2013 года. «Лидерство в области военно-воздушных сил по‑прежнему зависит от исследований в области ГПВРД, — говорит Чарли Бринк, руководитель программы X-51A. — Образ аппарата, способного пролететь 600 морских миль за десять минут, приобретает все больший вес в глазах военных».

В мае 2010 года, во время первого полета Х-51А его двигатель проработал 140 секунд из планируемых 300. Повреждение соединения между двигателем и соплом привело к преждевременному окончанию полета, однако ГПВРД успел разогнать машину до 6,5 М. Во время второго полета в июне 2011 года не запустился ракетный двигатель разгонной ступени, а августовский третий завершился потерей управления из-за отказа руля. К четвертому полету все выявленные недоработки должны быть исправлены.

«То, что в кризисных условиях на Х-51А нашлось финансирование, подчеркивает уровень интереса к гиперзвуку», — говорит Бринк. Именно он возглавит направление разработки корпуса и двигателя в проекте высокоскоростного ударного вооружения HSSW.

Полноразмерный макет аппарата NASA X-43A проходит испытания в высокотемпературном аэродинамическом тоннеле на базе ВВС США в Лэнгли. Скорость воздушного потока в семь раз превышает скорость звука.

Кульминацией демопрограммы, которая стартует в марте 2013 года, должны стать боевые учения к концу декады. «Мы стремимся начать полеты уже в 2017 году, и если все пойдет хорошо, они продолжатся в 2018-м и 2019-м», — говорит Кристофер Клэй, уточнив, что всего планируется совершить шесть-семь полетов. Ключевая задача этих испытаний — получить практический опыт в разных аспектах гиперзвуковой технологии, от двигателей до систем наведения. Цель демопрограммы — успешное поражение мишеней на расстоянии тысяч миль.

Прототипы должны будут продемонстрировать не только точный удар, но и совместимость с существующими авиационными системами. Аппарат будет размещаться как в отсеке бомбардировщика, так и под крылом истребителя. Будут разработаны продвинутые системы наведения, боеголовки с различным характером поражения, а также эффективные одноразовые двигательные системы для разгонных ступеней.

Отмененный в связи с нехваткой финансирования проект HTV-X3 Blackswift, возможно, наилучшим образом иллюстрирует, как будет выглядеть гиперзвуковой самолет многоразового использования. Сложнейшая совместная программа Lockheed Martin, Boeing и ATK завершилась в 2008 году.

Впервые план по разработке высокоскоростных вооружений предусматривает некоторую долю международного сотрудничества. Полем для совместной работы может стать разработка компактных бустеров — одной из ключевых технологий плана по высокоточному оружию. Другие сферы возможного сотрудничества — системы наведения, работающие в широком диапазоне скоростей, высокоскоростные системы ориентирования в условиях отсутствия GPS и спутниковой связи, аэродинамические конфигурации, композитные материалы и системы термозащиты.

Большая часть технических требований к проекту сформулирована на основе детального анализа вероятных боевых миссий. Однако главные из них весьма просты и очевидны — это малый вес и умеренная стоимость. Цена нового вооружения не должна превышать стоимость обычного дозвукового оружия более чем вдвое. При этом оно должно поражать удаленные цели за считанные минуты. Прототип HSSW будет базироваться на базе ВВС «Эглин» во Флориде.

Гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ГПВРД), на первый взгляд, устроен проще дозвукового турбореактивного двигателя, так как не содержит движущихся деталей. Однако требования к проработке формы воздухозаборника, камеры сгорания и сопла ГПВРД предъявляются более высокие. ГПВРД. Сжатие воздуха перед камерой сгорания происходит за счет ударной волны Водородное топливо сгорает в сжатом воздухе, формируя мощный выхлоп, толкающий аппарат вперед. ТРД. Вращающиеся лопатки компрессора сжимают поступающий в двигатель воздух. Расширяющаяся при сгорании топливо-воздушная смесь не только толкает вперед самолет, но и вращает турбину, которая в свою очередь приводит в движение компрессор.

Переходный возраст

Для второго проекта — гиперзвукового разведывательно-ударного самолета — ВВС очертили требования не менее четко. Он должен быть абсолютно самодостаточен в условиях недоступности спутников навигации и связи, разгоняться до скоростей свыше 5 М и при этом самостоятельно взлетать с обычной взлетно-посадочной полосы.

С 2010 года стратеги ВВС США целились в 4 Маха. Однако повторный анализ возможных боевых миссий с применением гиперзвукового самолета привел к однозначному увеличению желаемой скорости как минимум до 5 М. Пришлось приступить к поискам технологий, которые позволили бы добиться этой цели.


Летать — не падать

Проект австралийского Университета Куинсленда под названием HyShot стоял у истоков изучения поведения летательных аппаратов на гиперзвуковых скоростях. Проект интересен своим двигателем. Разработанный британской компанией QinetiQ агрегат изначально не был предназначен для формирования тяги. Аппараты HyShot запускались на борту баллистической ракеты Terrier-Orion Mk70, которая поднималась на высоту до 330 км, а затем разворачивалась к земле и разгонялась под действием гравитации. На высоте 35 км аппарат отделялся от носителя. К тому времени он двигался со скоростью около 7,6 М. Двигатель включался на 6 — 10 с, позволяя ученым собрать все необходимые данные.

На фото: Аппарат HiFiRe стал логическим продолжением австралийской программы HyShot. В отличие от предшественника, он продемонстрировал самостоятельный продолжительный полет с действующим ГПВРД


Проект пилотируемого самолета намного более дорогостоящий и рискованный, чем HSSW. Он требует разработки двигателя, который сможет функционировать и на дозвуковых, и на сверхзвуковых, и на гиперзвуковых скоростях. При взлете он будет работать как турбореактивный, затем переходить в режим прямоточного, а при переходе на гиперзвук превращаться в ГПВРД.

Пытаясь воплотить в жизнь такой мотор, создатели проекта Blackswift в свое время столкнулись с главной проблемой: турбина дозвукового двигателя не выдерживает температур, связанных с движением на гиперзвуке. Конечно, гиперзвуковой поток не проходит через турбину непосредственно, но даже соседство с ГПВРД действует на деликатный узел губительно. Поэтому основной упор в исследованиях предстоит сделать на жаропрочные материалы, в том числе композиты с керамической матрицей, и системы распределения и рассеяния тепловой энергии.

Действующий двигатель должен быть разработан к 2020 году. Несмотря на отрицательный результат прошлых тестов, их анализ говорит о том, что программа вполне реализуема. Летные испытания будут проходить с полноценным двигателем, смонтированным в фюзеляже уменьшенного масштаба. Аппарат станет испытательной платформой для многих других систем: механизмов управления, навигации и наведения, новых материалов, сенсоров.

«Сложнейшая технологическая задача состоит в переходе на гиперзвук. Нам предстоит изучить возможности доработки стандартных турбодвигателей, имеющихся в продаже, на предмет расширения их скоростного диапазона. Необходимо поработать и над ГПВРД, чтобы, напротив, снизить его минимальную скорость. Пока мы не можем заставить скоростные диапазоны турбины и ГПВРД хоть немного пересечься, — говорит Кристофер Клэй. — А ведь нам предстоит спроектировать и испытать куда более крупные ГПВРД, в 8 и даже 16 раз превышающие мощность X-51A».

Опыт X-51A показал, что хорошо узнать технологию можно лишь в ходе реальных полетов. Тысячи талантливых инженеров-теоретиков не заменят тестовый запуск прототипа. План американских ВВС, в том числе финансовый, это обстоятельство учитывает. Так что уже в течение ближайшей декады мы увидим немало интересных полетов.

Статья «Ставка на гиперзвук» опубликована в журнале «Популярная механика» (№1, Январь 2013).
Комментарии

Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь,
чтобы оставлять комментарии.