Гиперзвук

option yard

Внимание! Начинаю выкладывать на этом сайте цикл видиолекций по ценообразованию.

option yard

В издательстве URSS вышла книга "Практическое ценообразование".

 

Аппарат Цандера

Первая крылатая машина, целью которой было достижение космических (т.е. гиперзвуковых) скоростей была предложена советским инженером Цандером в 1924 году.

Предполагалось, что стартовать космический аэроплан должен с поршневым двигателем. После достижения наибольшей скорости включался реактивный двигатель, который вначале использовал жидкое горючее, затем алюминиевые пропеллер, крылья, оперение. В результате скорость была бы существенно больше, чем в случае неизменной конструкции.

Антиподный бомбардировщик Зенгера

Во время второй мировой войны в Герамнии Зенгером был предложен проект антиподного бомбардировщика. Разогнавшись, и поднявшись на 150-160 км, он должен был совершать баллистический полет, входить в плотные слои атмосферы, отскакивать от нее рикошетом, как камень от воды, до нового рикошета. Над целью самолет должен был сбросить бомбу и лететь до "антиподной" точки - посадочной базы. Наличие такой базы позволяло не терять скорость на разворот. Подробно о конструкции бомбардировщика Зенгера написано здесь.

Свой проект гиперзвукового самолета был и фон Брауна. Вначале возникла идея установить на V-2 крылья, с тем, чтобы ракета (ей присвоили название A-4b) совершала планирующий полет после достижения наивысшей точки траектории. Это позволяло увеличить дальность полета в 2 раза. Затем было предложено установить A-4b в качестве второй ступени на проектируемую ракету средней дальности A-9. Наконец, гиперзвуковая пилотируемая ракета A-10 должна была довести дальность до межконтинентальной. Пилот при ударе по Нью-Йорку должен был на последнем этапе спасаться на парашюте. Подобрать его должна была подводная лодка.

A-4, A4b, A4b/A-9, A10/A9

Американские проекты 50-х годов

Документы по бомбардировщику Зенгера, доставшиеся американцам в качестве трофеев произвели на них очень сильное впечатление.

Фирма Белл привлекла немецких специалистов к разработке аналогичного аппарата. Вначале планировалась точная копия самолета Зенгера, но затем концепция сильно изменилась. В качестве первой ступени был предложен самолет-разгонщик, а крыло самого бомбардировщика из прямого стало дельтовидным. Проект получил название бомбардировщик-ракета  BoMi (Bomber-Missile).

Однако проект был раскритикован за неадекватное отношение к проблеме охлаждения и завышенные аэродинамические характеристики. Острые кромки крыла и нос фюзеляжа нагревались на гиперзвуковых скоростях до температур, которые не могли выдержать существующие конструкционные материалы.

Тогда Белл предложила запускать двухступенчатой межконтинентальной баллистической ракетой Атлас (проект Brass Bell) ракетоплан проекта BoMi - чтобы добро не пропадало.

Параллельно с Белл свои проекты предлагал фон Браун - руководитель немецкой ракетной программы. В 1948 году он предложил двухступенчатую ракет с орбитальным самолетом.


Позднее военные США сформулировали требования к проекту RoBo - ракетный бомбардировщик. Одновременно проводились исследования по программе Изучения Гиперзвукового Оружия (HYWARDS).

 

HYWARDS в гиперзвуковой аэродинамической трубе

Но запуск первого космического спутника заставил пересмотреть все программы.

Самолет X-15

Программа изучения высоких скоростей на  экспериментальных самолетах X в США логически приводила к созданию самолета с гиперзвуковой скоростью. Таковым стал X-15, реактивный самолет с ЖРД. Его отрывал от земли, поднимал в стратосферу и обеспечивал начальную скорость бомбардировщик-носитель. Программа началась в 1954, и начиная с 1963 был совершен ряд полетов с достижением гиперзвуковой скорости и высоты, большей 100 км (после полета  Гагарина американцы считали полеты сверх этой высоты космическими и называли пилотов, совершивших такой полет астронавтами). Из экспериментов стало понятно, что основное препятствие перед дальнейшим продвижением крылатой техники в космос - тепловой барьер. Острые передние кромки крыльев нагревались до слишком высоких температур.

Советские проекты 50-х-начала 60-х годов

Не будем останавливаться на крылатых ракетах "Буря" и "Буран", которые все-таки не были гиперзвуковыми аппаратами.

После успешного запуска спутника в КБ Мясищева начали разработку крылатых аппаратов 46 и 48. Запускать их предполагалось ракетой. Для запуска М48 планировали использовать ракету Восток Королева.

М46
М48
В 1960 году Хрущев разогнал КБ Мясищева и присоединил остатки к гораздо меньшему КБ Челомея, которому Хрущев покровительствовал. КБ Челомея начало работу над аналогом DynaSoar. Были готовы макеты, но Хрущева сняли, и работу у КБ Челомея забрали, передав Микояну.
Р-2 Челомея
Свои разработки ракетопланов были и у Туполева - ДП (дальний планирующий) Ту-130 (последняя ступень баллистической ракеты) и Ту-136 Звезда. Последний проект предполагал пилотируемый орбитальный самолет, однако масса его была слишком высока для тогдашних ракет. В связи с этим Туполев даже хотел создать собственную тяжелую ракету. Дальнейшего развития у этих проектов, в отличие от Мясищевских не было.

Ту-130

 

Ту-136

Наконец, заместитель Королева Цыбин разрабатывал Лапоток. О нем нужно сказать особо.

Во-первых, Королев изначально отдавал предпочтение посадке космического корабля "по самолетному". Использование баллистического спуска и парашютной посадки на кораблях Восток и Восход - вынужденная мера для того, чтобы обогнать американцев. Эта же мысль встречается в воспоминаниях космонавтов. Лапоток разрабатывался под руководством Королева, и, видимо, отражал его представления о спускаемом аппарате.

Во-вторых, Лапоток разительно отличается от всех других аппаратов, как советских, так и западных. Затупленный несущий фюзеляж позволял осуществлять торможение без критического нагрева конструкции. Это не решало проблему нагрева крыльев, однако найденный подход был развит в проекте Спираль.

DynaSoar

После полета первого спутника было понятно, что следующим шагом должен стать полет в космос человека. Перед американцами встал вопрос - делать свой обитаемый аппарат крылатым или чисто баллистическим телом затупленной формы для входа в атмосферу. Большинство специалистов на конференции 15 октября 1957 года высказались за гиперзвуковой планер. ВВС США объединили проекты Brass Bell, RoBo и HYWARDS в единую программу разработки. Стартовала программа DynaSoar. Предполагалось создание одноместного орбитального ракетоплана.

 

Рассматривалось использование аппарата в качестве разведчика, бомбардировщика и истребителя спутников. Однако разработка затянулась, проблемы нагрева конструкции встали в полный рост, отставание от советской космической программы заставило американцев временно уйти к одноразовым космическим аппаратам. Программа была закрыта.

Проект Спираль

После передачи темы в КБ Микояна там была разработана программа Спираль. В рамках проекта был предложен ряд решений, которые позволяли бы обойти трудности гиперзвукового полета. Запуск аппарата предполагался с гиперзвукового разгонщика.

 

Крылья на первом этапе спуска складывались за спиной. Аппарат должен был тормозить затупленным носом, и лишь на меньших скоростях выдвигать крылья. Как это предполагалось делать - можно посмотреть здесь.
.

Спираль рассматривалась в разных вариантах - оптический разведчик, радиолокационный разведчик, ударный самолет - убийца авианосцев, истребитель спутников. Можно было использовать ее и для доставки экипажей на орбитальную станцию.
В рамках программы на специально построенном самолете, который сбрасывали с бомбардировщика, отрабатывалась посадка.

 

Лапоть - дозвуковой аналог Спирали
При разработке гиперзвукового разгонщика выявилось и второе (наряду с нагревом конструкции) препятствие при создании полностью многоразовых космических аппаратов. В воздушно-реактивных двигателях набегающий поток тормозится до дозвуковых скоростей. При гиперзвуковой скорости такое торможение приводило к очень большим потерям энергии. В прямоточном гиперзвуковом двигателе поток должен и после торможения оставаться сверхзвуковым. Однако организовать горение топлива в таком потоке - очень сложная задача.
Поскольку было понятно, что строительство гиперзвукового разгонщика задержится, начались испытания с запуском орбитального самолета ракетой. Первый аппарат БОР-1 был деревянным, при возвращении он должен был сгореть, отрабатывался  только выход на орбиту и возможность управляемого спуска. Дальнейшие аппараты БОР-2, БОР-3, БОР-4 успешно приводнялись. Австралийские разведывательные самолеты буквально ходили над головами наших моряков, которые поднимали БОРы на палубу.

 

Но Устинов отказался финансировать продолжение работ, посчитав их фантастикой. Одной из причин было то, что ставку сделали на Буран.

 

Space Shattle

К моменту окончания американской лунной программы встал вопрос - что делать дальше? Логично было бы продолжать освоение космоса (орбитальная станция-Луна-Марс-далее везде) на основе технологий Аполлона. Но на это не было денег. Тогда NASA предложило строить многоразовые корабли, утверждая, что запуск в космос станет коммерчески выгодным. На самом деле целью предложения было сохранение персонала в надежде, что через некоторое время ситуация изменится и деньги появятся. Изначально предполагался вариант с самолетом-разгонщиком - аналогичный Спирали. Но коммерческий успех просматривался только в случае полной замены одноразовых ракет. Между тем, требовался вывод на орбиту и тяжелых спутников, а прежде всего - спутника оптической разведки с очень большим разрешением (на его основе потом был создан телескоп Хаббл). Вывод такого груза полностью многоразовой системой не представлялся возможным. Кроме того, полностью многоразовая система, опять таки, не укладывалась в бюджет. Так сложился тип Шаттла, который теперь знают - тяжелый орбитальный самолет с ракетным взлетом.

 

Буран
Информация о разработке Шаттла озадачила советское руководство. По всем рассчетам выходило, что система будет убыточной. Следовательно, у системы есть какая-то иная цель (логика была верная, целью было сохранение коллективов, но наше руководство об этом не знало). Стали за американцев придумывать, для чего бы можно было использовать эту махину. Придумали два варианта:
  • снимать с орбиты советские спутники, орбитальные станции Салют и боевые орбитальные станции Алмаз и увозить их в Америку на ПМЖ (!)
  • снижаться до высоты 70 км над советской территорией и сбрасывать бомбу. То, что Шаттл после этого потеряет защитные плитки и, скорее всего, сгорит, во внимание не принималось.
В ответ решили строить наш Шаттл. Однако построить аналогичный - с двигателями на орбитальном самолете не получалось - во-первых у жидкостных ускорителей не было достаточного удельного импульса, во-вторых на Буране предполагалась система спасения, что утяжеляло самолет. Поэтому двигатели были перенесены с орбитального самолета на ракету-носитель. Впрочем, принятое решение все равно вызывает удивление - если американцы действительно вынашивали озвученные планы - как помешало бы им существование Бурана?
Стоит упомянуть, что КБ Мясищева предлагало уменьшенный вариант орбитального самолета. Инженеры КБ выдвигали идею сделать V-образное хвостовое оперение (как в дальнейшем на X-37). Руководство КБ отказалось, надеясь протолкнуть его хотя бы в виде копии Шаттла. Бесполезно.
Макет "маленького Бурана" КБ Мясищева
Однако руководство СССР твердо придерживалось принятого решения - строить только аналог Шаттла.
В результате отказа от собственной разработки - Спирали и рабского копирования американских решений Буран оказался бессмысленной программой. Впрочем, ущерб от Шаттла для США был намного больше.
МАКС
В 90-е годы в России была сделана попытка использовать результаты, полученные по Спирали в несколько ином виде. Было предложено использовать для старта не гиперзвуковой разгонщик, а самолет Мрия Ан-225. Эффективность связки при этом снижалась, но удавалось избежать проблем, связанных с гиперзвуком. В условиях общего развала проект не был реализован.
Коммерческие туристические полеты
Сразу несколько фирм предприняли попытки организовать полеты космических туристов по суборбитальной траектории.
Успешно были выполнены полеты на SpaceShipOne и SpaceShipTwo компании Virgin Galactic.
Однако технология этих полетов не отличается от той, что была использована на X-15. Полноценный орбитальный полет предполагает в 4 раза большую скорость и соответственно, решение совсем других проблем.
X-37b
Беспилотный орбитальный самолет X-37b в целом продолжает подход, использованный на Шаттле. Меньшие размеры позволяют использовать для его запуска более легкие носители, однако, судя по всему, не предполагается сколько либо массовое его использование. Скорее, он предназначен для отработки технологии.

Гиперзвуковые двигатели

Между тем проблема сверхзвукового горения в гиперзвуковом прямоточном двигателе так и не была в свое время решена.

Следует сразу сказать, что речь идет о машинах с гиперзвуковым воздушно–реактивным двигателем на водороде (ГПВРД). Сверхзвуковой ВРД на керосине можно раскочегарить так, что формально ракета покажет гиперзвуковую скорость (М>5), и это даже полезно. Брамос–2 и Радуга Х–90, можно наедятся, будут приняты на вооружение. Но дальнейшее увеличение скорости на такой основе невозможно.

(ГЛЛ) "Холод"

К концу 80–х ЦИАМ разработал гиперзвуковую летающую лабораторию (ГЛЛ) "Холод". Но настали 90–е и денег на испытания не было. В 1994 NASA, безрезультатно потратив на работы по ГПВРД $3 млрд., заключило с ЦИАМ контракт на $1,8 млн(!). Контракт предусматривал испытания двух ГЛЛ силами ЦИАМ. Еще один двигатель передавался американцам. 12 февраля 1998 г. на полигоне Сары–Шаган в Казахстане ГЛЛ достигла скорость – 6,5 М. Продолжительность работы ГПРВД составила 77 сек.

 

В 2004 американский X–43 достиг скорости М=9,6.

На смену "Холоду" была разработана "Игла". Было заявлено, что на ней может быть достигнута скорость М=14.

"Иглу" показали на МАКС–99. В 2004, судя по туманным сообщениям, было выполнено "бросковое" испытание "Иглы", без включения двигателя.

В феврале 2005, по словам Балуевского в России произошло "испытание гиперзвукового оружия". Что имелось в виду неизвестно — предположения были от Радуги до маневрирующих боеголовок Булавы.

Наконец, недавно Рагозин объявил о создании суперхолдинга по освоению гиперзвука. Будет ли он заниматься ракетами с высокими гиперзвуковыми скоростями — неизвестно, но скорее всего будет.

 

 

 


Добавить комментарий

Добавить комментарий


Код изображения:
Title:
Ваше имя(*):
Адрес электронной почты:
Notify me of any further comments to this thread:
Сайт:
Комментарий(*):