Гонка вооружений на гиперзвуковой скорости

Чем нам грозят 5 махов «волнолёта».

Военно-воздушные силы США произвели испытание аппарата X-51A Waverider, который сумел набрать скорость, в 5 раз превышающую скорость звука, и смог пролететь более 3 минут, поставив мировой рекорд, до этого принадлежавший российским разработчикам. Испытание прошло в целом удачно, гиперзвуковое оружие готово к гонке. // ');// ]]>

27 мая 2010 года аппарат X-51A Waverider (в вольном переводе - волнолёт, а в «невольном» - сёрфер) был сброшен с бомбардировщика B-52 над Тихим океаном. Разгонная ступень X-51A, позаимствованная у хорошо известной ракеты ATCAMS, вывела Waverider на высоту в 19,8 тыс. метров, где включился гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ГПРВД, или скрамджет). После этого ракета поднялась на высоту в 21,3 тыс. метров и набрала скорость в 5 махов (5 М - пять скоростей звука). Всего двигатель ракеты работал около 200 секунд, после чего X-51A послали сигнал на самоуничтожение в связи с начавшимися перебоями с телеметрией. По плану ракета должна была развить скорость в 6 М (по проекту скорость Х-51 - 7 М, то есть свыше 8000 км/ч), а двигатель должен был отработать на протяжении 300 секунд.

Испытания прошли неидеально, однако это не помешало им стать выдающимся достижением. Продолжительность работы двигателя втрое превысила предыдущий рекорд (77 с), принадлежавший советской (потом российской) летающей лаборатории «Холод». Скорость в 5 М была впервые достигнута на обычном углеводородном топливе, а не на каком-то «эксклюзиве» вроде водорода. Waverider использовал JP-7 -низкоиспаряемый керосин, применявшийся на знаменитом сверхскоростном разведчике SR-71.

Что такое скрамджет и в чём суть нынешних достижений? Принципиально прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ПВРД) устроены гораздо проще привычных всем турбореактивных (ТРД). Прямоточный двигатель - это просто входное устройство-воздухозаборник (единственная подвижная часть), камера сгорания и сопло. Этим он выгодно отличается от реактивных турбин, где к этой элементарной схеме, придуманной ещё в 1913 году, добавляются вентилятор, компрессор и собственно турбина, совокупными усилиями загоняющие в камеру сгорания воздух. В прямоточных двигателях эту функцию выполняет сам набегающий поток воздуха, от чего сразу же отпадает необходимость в изощрённых конструкциях, работающих в потоке раскалённых газов и прочих дорогостоящих радостях турбореактивной жизни. В результате ПВРД легче, дешевле и менее чувствительны к высокой температуре.

Однако за простоту приходиться платить. Прямоточные двигатели малоэффективны на дозвуковых скоростях (до 500-600 км/ч не работают вовсе) - им просто не хватает кислорода, а потому им нужны дополнительные двигатели, разгоняющие аппарат до эффективных скоростей. Из-за того, что объём и давление поступающего в двигатель воздуха ограничены только диаметром воздухозаборника, эффективно управлять тягой двигателя чрезвычайно трудно. ПВРД обычно «затачиваются» под узкий диапазон рабочих скоростей, а за его пределами начинают вести себя не слишком адекватно. Из-за этих врождённых недостатков на дозвуковых скоростях и умеренных сверхзвуковых турбореактивные двигатели радикально выигрывают у прямоточных конкурентов.

Ситуация меняется, когда прыть летательного аппарата зашкаливает за 3 маха. При высоких скоростях полёта воздух так сильно сжимается во входной части двигателя, что потребность в компрессоре и прочем оборудовании отпадает - точнее, они становятся помехой. Зато на этих скоростях прекрасно себя чувствуют сверхзвуковые прямоточные воздушно-реактивные двигатели СПРВД («рамджет»). Однако по мере роста скорости достоинства бесплатного «компрессора» (сверхзвукового потока воздуха) превращаются в кошмар для разработчиков двигателей.

В ТРД и СПВРД керосин сгорает при относительно небольшой скорости потока - 0,2 М. Это позволяет достичь хорошего смешивания воздуха и впрыскиваемого керосина и, соответственно, высокого КПД. Но чем выше скорость набегающего потока, тем труднее его затормозить и тем выше потери, связанные этим упражнением. Начиная с 6 М замедлять поток приходиться в 25-30 раз. Остаётся только сжигать топливо в сверхзвуковом потоке. Здесь и начинаются настоящие трудности. Когда воздух влетает в камеру сгорания со скоростью 2,5-3 тыс. км/ч, процесс поддержания горения становиться похож, по словам одного из разработчиков, на «попытку удержать спичку зажжённой посреди тайфуна». Ещё не так давно считалось, что в случае с керосином это невозможно.

Проблемы разработчиков гиперзвуковых аппаратов отнюдь не ограничиваются созданием работоспособного ГПРВД. Им необходимо преодолеть и так называемый тепловой барьер. От трения о воздух самолёт греется, причём интенсивность нагрева прямо пропорциональна квадрату скорости потока: если скорость увеличивается вдвое, то нагрев - вчетверо. Нагрев самолёта в полёте со сверхзвуковыми скоростями (особенно на малой высоте) иногда так велик, что приводит к разрушению конструкции и оборудования.

При полётах со скоростью 3 М даже в стратосфере температура входных кромок воздухозаборника и передних кромок крыла составляет более 300 градусов, а остальной части обшивки - более 200. Аппарат со скоростью в 2-2,5 раза большей будет греться в 4-6 раз сильнее. При этом уже при температурах около 100 градусов размягчается органическое стекло, при 150 - значительно снижается прочность дюралюминия, при 550 - теряют необходимые механические свойства титановые сплавы, а при температуре выше 650 градусов плавятся алюминий и магний, размягчается сталь.

Высокий уровень нагрева можно решить или пассивной теплозащитой, или активным отводом тепла за счёт использования в качестве охладителя запасов топлива на борту. Проблема в том, что при очень приличной «хладотворной» способности керосина - теплоёмкость этого горючего лишь вдвое меньше, чем у воды - он плохо переносит высокие температуры, да и объёмы тепла, которые нужно «переваривать», просто чудовищны.

Самый прямолинейный способ решить обе проблемы (обеспечение сверхзвукового горения и охлаждение) - отказаться от керосина в пользу водорода. Последний относительно охотно - по сравнению с керосином, разумеется - горит даже в сверхзвуковом потоке. При этом жидкий водород - по очевидным причинам ещё и отличный охладитель, что даёт возможность не использовать массивную теплозащиту и при этом обеспечивать приемлемую температуру на борту. Кроме того, водород втрое превосходит керосин по теплотворной способности. Это позволяет поднять границу достижимых скоростей до 17 М (максимум на углеводородном топливе - 8 М) и при этом сделать двигатель более компактным.

Неудивительно, что большинство предыдущих гиперзвуковиков-рекордсменов летало именно на водороде. Водородное топливо использовала наша летающая лаборатория «Холод», занимающая пока второе место по продолжительности работы ГПВРД (77 с). Ему же NASA обязано рекордом скорости для реактивных аппаратов: в 2004 году беспилотный гиперзвуковой самолёт NASA X-43A достиг скорости 11 265 км/ч (или 9,8 М) на высоте полёта 33,5 км.

Использование водорода, однако, приводит к другим проблемам. Один литр жидкого водорода весит всего 0,07 кг. Даже с учётом втрое большей «энергоёмкости» водорода это означает четырёхкратный рост объёма топливных баков при неизменном количестве запасённой энергии. Это оборачивается раздуванием размеров и массы аппарата в целом. Кроме того, жидкий водород требует весьма специфических условий эксплуатации - «все ужасы криогенных технологий» плюс специфика самого водорода, - он чрезвычайно взрывоопасен. Иными словами, водород - отличное топливо для экспериментальных аппаратов и штучных машин вроде стратегических бомбардировщиков и разведчиков. Но в качестве заправки для массового оружия, способного базироваться на обычных платформах вроде нормального бомбардировщика или эсминца, он непригоден.

Тем существеннее выглядит достижение создателей X-51, сумевших обойтись без водорода и при этом добиться впечатляющих скоростей и рекордных показателей по продолжительности полёта с прямоточным двигателем. Отчасти рекорд обязан инновационной аэродинамической схеме - тому самому волнолёту. Странный угловатый облик аппарата, его диковатая на вид конструкция создаёт систему ударных волн, именно они, а не корпус аппарата, становятся аэродинамической поверхностью. В итоге подъёмная сила возникает при минимальном взаимодействии набегающего потока с самим корпусом и, как следствие, интенсивность его нагрева резко снижается.

Высокотемпературная теплозащита из углерод-углеродного материалачёрного цвета у X-51 расположена только на самом «кончике» носа и задней части нижней поверхности. Основную часть корпуса покрывает белая низкотемпературная теплозащита, что указывает на относительно щадящий режим нагрева: и это при 6-7 М в достаточно плотных слоях атмосферы и неизбежных нырках в тропосферу к цели.

Вместо водородного «монстра» американские военные обзавелись аппаратом на практичном авиационном топливе, что сразу же выводит его из области забавного эксперимента в сферу реального применения. Перед нами уже не демонстрация технологий, а прототип нового оружия. Если X-51A успешно пройдёт все испытания, через несколько лет начнётся разработка полноценной боевой версии X-51A+, оснащённой самой современной электронной начинкой.

Согласно предварительным планам Boeing, на X-51A+ будут установлены приборы быстрой идентификации и уничтожения целей в условиях активного противодействия. Возможность управления аппаратом с помощью модифицированного интерфейса JDAM, предназначенного для наведения высокоточных боеприпасов, была успешно проверена ещё в ходе предварительных испытаний в прошлом году. Новый волнолёт вполне вписывается в стандартные размеры для американских ракет, то есть благополучно влезает в корабельные устройства вертикального пуска, транспортно-пусковые контейнеры и отсеки бомбардировщиков. Заметим, что ракета ATCAMS, у которой позаимствовали разгонную ступень для Waverider, - это оперативно-тактическое оружие, применяемое американскими реактивными системами залпового огня MLRS.

Таким образом, 12 мая 2010 года над Тихим океаном США испытали прототип вполне практичной гиперзвуковой крылатой ракеты, судя по планируемой начинке, предназначенной для поражения высокозащищённых наземных целей (предполагаемая дальность - 1600 км). Возможно, со временем к ним добавятся и надводные. Помимо огромной скорости в активе таких ракет будет высокая проникающая способность (кстати, энергия тела, разогнанного до 7 М, практически эквивалентна заряду тротила такой же массы) и - важное свойство статически неустойчивых волнолётов - способность к очень резким манёврам.

Это далеко не единственная перспективная профессия гиперзвукового оружия.

В отчётах консультативной группы HАТО по космическим исследованиям и разработкам (AGARD), подготовленным в конце 1990-х, отмечается, что гиперзвуковые ракеты должны иметь следующие варианты применения:

- поражение укреплённых (или заглублённых) объектов противника и сложных наземных целей вообще;

- противовоздушная оборона;

- завоевание господства в воздухе (такие ракеты могут считаться идеальным средством перехвата высоколетящих воздушных целей на больших расстояниях);

- противоракетная оборона - перехват стартующих баллистических ракет на начальном участке траектории.

- использование в качестве многоразовых беспилотников как для нанесения ударов по наземным целям, так и для разведки.

Наконец, очевидно, что гиперзвуковые ракеты будут наиболее эффективным - если не единственным - противоядием против гиперзвуковых средств нападения.

Другое направление развития гиперзвуковых вооружений - создание малогабаритных твердотопливных ГПВРД, вмонтированных в снаряды, предназначенные для поражения воздушных целей (калибров 35-40 мм), а также бронетанковой техники и укреплений (кинетические ПТУР). В 2007 году Lockheed Martin завершила испытания прототипа кинетической противотанковой ракеты CKEM (Compact Kinetic Energy Missile). Такая ракета на дистанции 3400 м успешно уничтожила советский танк Т-72, оснащённый усовершенствованной динамической защитой.

В дальнейшем возможно появление ещё более экзотических конструкций, например трансатмосферных летательных аппаратов, способных к суборбитальным полётам на межконтинентальную дальность. Вполне актуальны - причём в ближней перспективе - и маневрирующие гиперзвуковые боевые блоки для баллистических ракет. Иными словами, в ближайшие 20 лет военное дело изменится кардинально и гиперзвуковые технологии станут одним из важнейших факторов этой революции.