Гиперзвуковая крылатая ракета и ее скачки
Военные ученые стоят на пороге освоения нового типа полета и новых летательных аппаратов
Мы стоим на пороге освоения нового типа полета и новых летательных аппаратов — крылатых ракет с гиперзвуковым двигателем. Но перейти к серийным образцам пока не удается, несмотря на большие усилия.
Американская гиперзвуковая крылатая ракета X-51A Waverider
Фото: NASA
Американская гиперзвуковая крылатая ракета X-51A Waverider
Фото: NASA
Гиперзвуковой полет
Позвольте представить вам гиперзвуковой полет. Движение в среде вещества со скоростью быстрее звука в ней называется сверхзвуковым. Насколько быстрее, показывает сравнение с местной скоростью звука. Это сравнение назвали числом Маха, разделив скорость движения на скорость звука и обозначив его М. В сверхзвуковом полете значение числа Маха больше единицы, например 1,7 или 3. С таким числом Маха летят сверхзвуковые самолеты. Но область скоростей с М = 5 и больше выделили среди сверхзвукового диапазона и назвали гиперзвуковым движением. При стандартной скорости звука у земли 340 м/с скорость М = 5 составит 1700 м/с.
Первым изделием человека, достигшим гиперзвуковой скорости, стала баллистическая ракета «Фау-2» Вернера фон Брауна, развивавшая в полете скорость как раз 1700 м/с. В плейстоценовом морозе нижней стратосферы скорость звука (а она зависит от температуры) составляет 295 м/с, поэтому число Маха у «Фау-2» должно было подниматься до М = 5,8. Позже гиперзвуковых скоростей достигли разнообразные тактические ракеты с освоением дальности 400–500 км. Дальности еще больше всегда сопровождаются гиперзвуковым входом в атмосферу, и с ростом дальности растет число Маха. Разгонялись до гиперзвука некоторые зенитные ракеты. Например, жидкостная ракета 5В28 зенитного комплекса С-200, которую поэтому использовали для экспериментов с гиперзвуковым двигателем по темам «Холод» и «Игла». Высокую гиперзвуковую скорость развивали ракеты 53T6 советского противоракетного комплекса А-135, скорость которых в атмосфере, по разным данным, достигала М = 13–18.
Тактические ракеты (это дальность до 500 км) и боеголовки дальнего следования встречали гиперзвуковой поток в виде лобового сопротивления. Позже аэробаллистические ракеты вроде ракет комплекса «Искандер» стали использовать для маневрирования подъемную силу гиперзвукового обтекания, ставя гладкую морковку ракеты под углом атаки к встречному потоку. Так делает и твердотопливная ракета авиационного комплекса «Кинжал», самолетный вариант ракеты «Искандера».
Космическая техника тоже проходит гиперзвуковой участок полета. Ракеты-носители достигают его в верхних слоях атмосферы. Гиперзвуковую подъемную силу использует крылатая ракета-носитель «Пегас», выходя на гиперзвук в верхней стратосфере и успевая захватить треугольным крылом остатки быстро тающей атмосферы. С гиперзвуковой скоростью входили в атмосферу «Спейс Шаттл», «Буран», советские крылатые аппараты серии «Бор». Гиперзвуковой участок есть у всех сегодняшних возвращаемых космических аппаратов.
Таким образом, само по себе движение с гиперзвуковой скоростью сегодня не новость и не достижение, будучи известно на практике уже почти 80 лет. Гиперзвук встречают многие типы летательных аппаратов на этапах своего полета. Некоторые используют гиперзвуковое обтекание как обычное сверхзвуковое, создавая подъемную силу своим цилиндрическим корпусом или сверхзвуковым крылом.
И лишь недавно появились летательные аппараты, конструкция которых полностью оптимизирована под создание гиперзвуковой подъемной силы, ставшей главным началом, формирующим траекторию. Именно такие аппараты называют гиперзвуковыми. Эти штуковины сделаны специально для гиперзвукового полета и максимально используют его особенности. Они группируются в два типа, оба в качестве боевых средств. Первый — аппараты без двигателя, или планирующие боевые блоки. Они могут планировать с гиперзвуковой скоростью на дальность до тысячи километров. Второй — гиперзвуковые крылатые ракеты, оснащенные гиперзвуковым воздушно-реактивным двигателем, по строению схожие с обычными крылатыми ракетами. Конструкция с гиперзвуковым двигателем самая продвинутая, и именно она называется сегодня гиперзвуковой ракетой в наиболее полном смысле этого понятия.
Отличия гиперзвукового обтекания
Но почему гиперзвуковую область разграничили со сверхзвуковой? Чем она отличается от сверхзвука и почему границу провели именно по пятикратной скорости звука, по М = 5? Граница эта имеет физический смысл, потому что за ней обтекание становится другим.
В сверхзвуковом полете набегающий поток частично тормозится аппаратом, сжимаясь об него и уплотняясь. Сжатие повышает температуру воздуха, и чем оно сильнее, тем горячее сжатый воздух. Сильнее всего поток тормозится на частях аппарата, встречающих воздух. Поэтому передние кромки крыльев, стабилизаторов и киля, другие выступающие в поток части нагреваются до нескольких сотен градусов, например до 330°С при М = 3. Сверхзвуковой удар об препятствие словно дробит большую сверхзвуковую скорость на мириады крошечных движений молекул, мелких и разнонаправленных. Столь тонкодисперсный помол движения переводит кинетическую энергию во внутреннюю, делая теплом. Прибавка движения молекул становится нагревом, повышая температуру. Но этот нагрев никак не отражается в самих молекулах воздуха, летящих простыми точками и сталкивающихся между собой с растущей силой.
Рост скорости потока усиливает удары молекул. При М = 5 столкновения отзываются в самих молекулах. Два атома в молекулах основных газов воздуха, азота и кислорода, начинают резонировать ударам и колебаться, сближаясь и расходясь. Это новое, колебательное движение, забравшееся внутрь молекулы. Огромная скорость гиперзвукового потока усиливает удар о препятствие и его размол, дробя кинетическую энергию до трансформации в еще более мелкие формы движения — внутримолекулярные. Они добавляют молекуле свою энергию вместе с начинающей проявляться энергией еще одного нового движения — вращения молекул. Эти новшества идут добавками к теплоемкости газа, запасая все больше тепла и повышая энергичность процессов.
Накачка энергией ослабляет связи атомов, удаляющихся друг от друга в колебаниях все больше, и молекулы начинают распадаться. Свободные атомы вступают в новые соединения — текут химические реакции. Они множатся, подпитываясь энергией потока и каталитическими эффектами материалов аппарата. Атомы теряют электроны, возникает плазма, растет ее концентрация. Ударная волна от носовой части и передних кромок наклоняется все сильнее и ложится на корпус, обтягивая весь летательный аппарат. Волна сливается с поверхностным слоем, образуя единый вязкий ударный пограничный слой. Переставший быть идеальным газ течет каскадами неравновесных состояний, с высокочастотными волнами неустойчивости и другими усложнениями. Для адекватного описания происходящего требуются емкие математические построения и сотни специфических переменных. Их значения меняются все сразу, одновременно с температурами, давлениями и концентрациями, энергиями и балансами реакций и множеством других факторов. Все это обильно сдобрено излучением и поглощением в диапазоне от теплового до ультрафиолета и ярко светит с поверхности аппарата, разительно отличаясь от простого сверхзвукового сжатия и нагрева.
Скачок уплотнения
Это очень важное сверхзвуковое понятие, определяющее полет гиперзвуковой ракеты и, подобно Эльбрусу, имеющее две вершины приложения, снаружи и внутри ракеты. Часто и повсеместно его путают с ударной волной, но это не одно и то же. Скачок уплотнения возникает в сверхзвуковом потоке как невозможность возмущений воздуха от каких-либо обтекаемых препятствий рассасываться вперед. Они движутся лишь со скоростью звука и скапливаются перед источником возмущений, не в силах убежать от него вверх по сверхзвуковому потоку. Поток напирает и трамбует это скопление возмущений, создавая здесь уплотнение воздуха. Оно происходит сильно и резко, скачкообразно, на расстоянии пары пробегов молекул за десятимиллиардную долю секунды. Эта мгновенная ступенька роста плотности и есть скачок уплотнения.
И так же скачкообразно происходит торможение потока, мгновенно сбавляющего скорость и текущего за скачком медленнее. Снижение кинетической энергии потока переходит в прибавку потенциальной энергии сжатия и тепла. Со скачком плотности так же резко вырастают давление и температура. В скачке уплотнения часть энергии потока теряется, расходуется, образуя газодинамические потери. Это вызывает добавочное замедление потока. Потери энергии в скачках разные, и с этим различием можно работать.
Скачок уплотнения бывает прямым и косым. Прямой скачок стоит перпендикулярно потоку, «прямо», и тормозит поток до дозвука, завершая сверхзвуковое течение. В нем самые большие потери энергии. Косые скачки лежат под углом к потоку, оставляют его за собой сверхзвуковым и дают меньше потерь. Если нужно замедлить и уплотнить поток на заданную величину, то сжатие одним скачком даст больше потерь, чем суммарно два или три скачка послабее. Косые скачки уплотнения в двигателе сжимают воздух последовательным каскадом с меньшими потерями энергии, которые неумолимо тратятся из энергии движения ракеты, замедляя ее.
За скачком у газа могут быть две дороги. Если причина скачка рядом — любая твердая поверхность под углом атаки, клин, конус, другая форма,— то воздух течет по ней сжатым. За скачком продолжается сжатый, нагретый и подтормозившийся поток. Тогда скачок уплотнения — передняя поверхность и начало сжатого потока.
А когда за скачком нет возмущающего предмета, например в открытой атмосфере, то сжатый воздух за скачком начинает беспрепятственно расширяться. Чем больше степень сжатия, тем мощнее расширение. Его быстрота рождает инерцию, и расширяющийся воздух проскакивает параметры атмосферы без остановки на них. Возникает разрежение, которое вскоре схлопывается окружающим давлением атмосферы до выравнивания с собой.
Отклонение от равновесия с последующим свободным возвратом к нему — это волновой процесс. А вся конструкция — скачок уплотнения, область сжатого воздуха за ним и область разрежения — составляет ударную волну. В ней скачок уплотнения лишь передняя поверхность толщиной в ту самую пару пробегов молекул. Ударная волна напоминает стопку из двух блинов, сжатия и разрежения, с тонким пригаром скачка уплотнения на переднем блине сжатия.
В гиперзвуковой ракете скачок уплотнения работает и внутри, и снаружи. Можно сказать, он создает гиперзвуковую ракету, являясь ее скульптором. Главным работает первый путь — образование сжатых потоков. Они возникают под крыльями и корпусом из-за угла атаки и создают подъемную силу ракеты. Системы сверхзвуковых скачков уплотнения организованы внутри двигателя, обеспечивая его правильную работу.
Пламенный мотор
Горячее сердце ракеты — гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель, или ГПВРД. Он сжимает встречный воздух, сжигает в нем топливо, накачивая энергией, и разгоняет реактивным соплом, создавая реактивную струю и тягу. Все это гиперзвуковой двигатель делает своим, особенным образом.
Для сжатия воздуха здесь не требуется компрессор. Входящий поток сжимается сам за счет своей высокой скорости, стискиваемый поверхностями сужающегося канала, или конфузора. Кромки воздухозаборника вклиниваются в воздух, загоняя его в конфузор. Любой сверхзвуковой, с М > 1, поток в сужающейся проточной части тормозится и уплотняется. Поэтому конфузор ГПВРД имеет вид сужающейся воронки, округлой или щелевидной с наклонными гранями. Тут и работают скачки уплотнения, возникая на кромках воздухозаборника. Воздух за ними течет в виде сжавшегося потока. Такие скачки стоят и дальше в соответствии с геометрией канала, последовательно замедляя, уплотняя и нагревая поток.
Конфузор поставляет многократно сжатый горячий воздух для горения с заданными плотностью и расходом. Плотность нужна для устойчивого горения, расход — для уровня тяги. Сжатый поток должен оставаться сверхзвуковым, как и в любой точке ГПВРД. Это необходимо для избегания больших потерь на торможение потока до дозвукового (тогда возникнет прямой скачок с самыми большими потерями) с последующим разгоном его соплом обратно до сверхзвукового. Чтобы избежать напрасных потерь, поток во всем двигателе оставляют сверхзвуковым. Канал конфузора тщательно проектируется, как эффективная машина сверхзвукового сжатия. В нем организуются органы управления параметрами сжатия. В уплотненный горячий сверхзвуковой поток остается лишь распылить горючее и сжечь его. И встретить две большие проблемы ГПВРД.
Сверхзвуковое горение — чрезвычайно сложная штука. Любое обычное пламя будет сдуваться сверхзвуком, не успевая распространяться. Нужен другой, сверхзвуковой механизм горения. Такой известен — детонация. Ударная волна детонации сверхзвуковая, и она сжимает вещество до нагрева, нужного горению. Смесь водорода и кислорода называют гремучим газом, потому что он очень громко детонирует, закладывая уши до звона. Добавив в воздух водорода, можно получить гремучий газ, пусть и сильно разбавленный атмосферным азотом, но все равно способный к детонации.
Детонационная волна сгорания пойдет по этой смеси со сверхзвуковой скоростью. Здесь скачок уплотнения работает как поршень дизеля, сжимая смесь до воспламенения. Если уравнять скорость сверхзвукового потока воздушно-водородной смеси со скоростью детонационной волны, то волна горения будет бежать, оставаясь на месте. И обживая это место проточной части в качестве камеры сгорания. При огромной сверхзвуковой скорости необходимо сверхточно регулировать скорость потока и детонации, чтобы она не ушла ни вперед, ни назад из зоны сгорания. Сверхточно и сверхбыстро, иначе волна вылетит из камеры за тысячную долю секунды. При этом важно точно выдерживать и плотность, и температуру потока, и десяток других параметров — все влияет на волну. Такое управление представляет серьезную проблему.
Топливо и расклады с ним создают вторую большую проблему. Водород проще смешивать с воздухом, но керосин или подобные плотные топлива нужно распылить для образования детонирующей смеси. Какой именно — из паров топлива или из тонко распыленного тумана мелких жидких капелек? Детонация топливного тумана — это двухфазные детонационные системы, хорошо работающие в боеприпасах объемного взрыва. Вопросы выбора разновидностей детонации осложняются поисками топливных конструкций. Все выставленное в сверхзвуковой поток возмущает его, создавая скачки уплотнения. Как организовать форсунки или другое распыление в поток? Как приготовить качественную сверхзвуковую топливно-воздушную смесь, причем за крайне короткое время — доли миллисекунды? Как управлять ее составом с такой быстротой? Распыление топлива, как и стена сверхзвукового горения,— весьма сложные процессы и объекты управления. Здесь ищут ключевые решения эффективности ГПВРД, которые не публикуют в печати.
Наконец детонационная волна позади, газ раскален сгоревшим в ней топливом. Дальше его ждет реактивное сопло. Но это не привычное сопло Лаваля. У него нет сужающейся части — она дозвуковая и здесь не нужна. Горячий сверхзвуковой поток поступает в сразу расширяющееся сверхзвуковое сопло. Это диффузор, обычная расширяющаяся часть знакомого «ракетного» сопла Лаваля, разгоняющая реактивную струю и создающая тягу.
Проточная часть ГПВРД, таким образом, напоминает дудку с двух сторон — сужение конфузора, зону сгорания и расширение соплового диффузора. Поток везде сверхзвуковой, но с разной скоростью, наименьшей в центральной части. И эта дудка гремит свою песню высоко в стратосфере.
Полет шмеля, или Игра в крестики-нолики
Гиперзвуковой двигатель сразу меняет летательный аппарат, наделяя его большими возможностями и создавая из него новое боевое средство. Дальность гиперзвуковой ракеты может намного превосходить дальность планера. При более интенсивном маневрировании скорость гиперзвуковой ракеты не будет падать, поддерживаемая двигателем. А это уже напрямую боевое качество — степень неуязвимости для перехвата. Гиперзвуковую крылатую ракету сложнее перехватить из-за набора ее козырей «дальность плюс маневрирование плюс скорость», превосходящего возможности гиперзвукового планера.
Маневрирование — «броня» гиперзвуковой ракеты, главный фактор неуязвимости. Маневрирование препятствует перехвату, постоянно меняя прицеливание противоракет и выводя их вблизи на критические режимы полета, чреватые прекращением погони. Противоракеты вынуждены постоянно вырабатывать поправки своего наведения и менять полет, с приближением к цели все интенсивнее, повышая свои перегрузки до критического уровня. Организация противоракетного маневрирования может строиться на разных алгоритмах.
Представим, что система управления полетом виртуально отсекает перед собой кусок расчетной траектории длиной 10 или 15 километров. На дальнем конце этого отрезка система управления рисует перпендикулярный полету квадрат со сторонами в пару километров, пронзенный траекторией по центру. Квадрат разбивается на равные клетки, как крестики-нолики. Так пространство перед ракетой расщепляется на пучок протянувшихся вперед расходящихся пространственных сегментов, каждый из которых упирается в свою клеточку «крестиков-ноликов».
В составе системы управления полетом «зашит» генератор случайных чисел. Он строго случайным образом выбрасывает свой выбор в одну из клеток «крестиков-ноликов». В выбранной клетке рисуется прицельный крестик, прочие остаются ноликами. После чего система управления направляет ракету в этот случайно поставленный крестик.
Пролетев отрезок и оказавшись в клетке с крестиком, тем самым немного сместившись от центральной спицы — расчетной траектории, система управления отрезает от дальнейшей траектории очередной кусок, и игра повторяется. На конце отрезка снова рисуются поперек «крестики-нолики», строго случайным образом ставится прицельный крестик.
Почему выбор крестиков строго случайный? Будь в этом хоть какая-то система — ее могут «раскусить» более мощные вычислительные средства и алгоритмы противника, наводящие на крылатую ракету их противоракету. Будущие движения по любой системе можно верно спрогнозировать и направить средство перехвата в верную точку встречи. Но случайный выбор спрогнозировать нельзя.
Специальные логические блоки в составе системы управления полетом не позволяют ракете выходить за пределы двухкилометрового квадрата. Иначе шаг за шагом можно улететь в глубокие отклонения от траектории, критически удалиться от нее. А потом расчетную траекторию не нагонишь. Логические блоки следят за соотношением локальных перемещений по «крестикам-ноликам» и генерального направления полета к цели. В итоге движение крылатой ракеты напоминает нечто среднее между полетом шмеля и раскачиванием кленового листа, но выполняемое в гиперзвуковом формате. Это критически затрудняет перехват ракеты, но не делает его невозможным — никогда не говори «никогда».
Полет гиперзвуковой ракеты складывается из крупных географических элементов обхода проблемных зон и противоракетных объектов и наложенного на них локального противоракетного маневрирования, которое может усиливаться при информации о запуске противоракеты. Выбор архитектуры и режимов маневрирования — дело тщательное и тоже не попадающее в широкий информационный обмен.
Конструкция крылатого гонца
Для выполнения интенсивных маневров требуется большая подъемная сила, накренив которую можно поворачивать курс ракеты в разные стороны. В отличие от дозвукового и сверхзвукового полета на гиперзвуковом режиме подъемная сила возникает только за счет ударного газодинамического сжатия потока на нижних поверхностях аппарата. Его сжимают скачки уплотнения на крыльях и корпусе, возникающие из-за угла атаки. Сжатый воздух течет снизу поверхностей и давит на них. Силы давления собираются в подъемную силу аппарата.
Правильная организация зон сжатия и их параметров определят гиперзвуковое аэродинамическое качество ракеты, ее «летучесть». Острые передние кромки снижают лобовое сопротивление. Ракета получает специализированный газодинамический облик — гиперзвуковой. Его проектирование достаточно сложное и требует глубокого описания сложных процессов гиперзвукового обтекания. Для этого нужно глубокое понимание их. Нужны большие вычислительные мощности, математические модели с растущей адекватностью. Нужны экспериментальные измерения и данные. Поэтому выбор форм ракеты, баланс геометрии и обтекания, тоже ключевой и является большой наработанной ценностью.
Многократные, до десятков раз, степени сжатия воздуха создают высокие аэродинамические нагрузки на конструкцию и большое сопротивление. Для их снижения полет проходит в очень разреженных слоях стратосферы, на высотах 25–30 км. Это снижает и тепловой поток в ракету, ее нагрев при такой скорости. Нижние слои для гиперзвука всегда жарче. Поэтому стратосфера становится главной сценой гиперзвуковой ракеты. Туда ракета поднимается носителем — самолетом или ускорительной ракетной ступенью. Впрочем, ускоритель нужен и при самолетном пуске, чтобы вывести гиперзвуковой двигатель на рабочие режимы течения. Гиперзвук он должен получить в уже готовом виде, пусть даже и самого нижнего диапазона.
Для управления полетом есть навигационная система, система управления полетом и исполнительные органы. Навигационная система складывается инерционным блоком, астронавигацией и спутниковой навигацией, система управления полетом обрабатывает навигационные и бортовые данные, от управления блоком двигателя до смещения центровки ракеты из-за выработки топлива. Она рассчитывает управляющие команды. Командные линии проводят их на двигатели, на исполнительные органы ориентации, например элероны, и в другие подсистемы ракеты, включая блок управления зарядом, который переводит заряд в полете во все более высокие степени готовности к взрыву.
Термоядерная боевая часть гиперзвуковой ракеты будет компактной, размером с бутыль для кулера, и весом 200 кг. Эта компактность не помешает заряду выделить над целью все 150–300 килотонн мощности, написанной на его этикетке. Возможна и тактическая мощность заряда, вплоть до неядерной боевой части. Поэтому гиперзвуковая ракета охватит широкий круг боевых задач с высокой надежностью, рождаемой фишками ее полета.
Что на практике
Фото: NASA
Фото: US Air Force
Первый свободный полет с ГПВРД и разгоном в гиперзвуковом диапазоне на собственной тяге выполнил X-43А, экспериментальный аппарат NASA. Он запускался крылатой ракетой «Пегас», которая в этих запусках наиболее полно выступала гиперзвуковой крылатой ракетой. После разгона аппарата до М = 7 он отделялся, запускал водородный двигатель и дальше разгонялся сам. В 2004 году он достиг скорости М = 9,6 либо 3,2 км/с (данные разнятся).
После него испытывалась гиперзвуковая крылатая ракета X-51A Waverider. В отличие от предыдущего аппарата она имела облик крылатой ракеты. В успешном испытании 2013 года ракета поднялась до 18 км и разогналась до М = 5,1, пройдя 426 км за шесть минут.
Сейчас в США возят под крылом бомбардировщика гиперзвуковую ракету с ГПВРД на углеводородном топливе. Это первый этап испытаний по программе HAWC. Летные испытания ракеты ожидаются в течение ближайшего года.
Индия в этом месяце провела запуск демонстратора крылатой ракеты HSTDV с гиперзвуковым двигателем. Твердотопливная ракета подняла его на 30 км и отвалилась, аппарат включил ГПВРД и разогнался до М = 6. Испытывали эффективность топливной системы и устойчивость горения топлива.
Гиперзвуковые крылатые ракеты — дело сложное, требующее мощной научной и экспериментальной базы. Но они представляют большой интерес с точки зрения как оружия, так и технологического подъема. Нет сомнений, что разработка этих ракет продолжится, и в ближайшие годы гиперзвуковые ракеты с ГПВРД выйдут из стадии испытаний на серийное производство, принятие на вооружение и начало штатной эксплуатации.