Гиперзвуковой полет на пустой трубе

Прототип будущего гиперзвукового самолета – Х-43А в семь раз превысил скорость звука.
Фото Reuters

Скатообразный беспилотный американский самолетик Х-43А – поменьше снаряженных «Жигулей» (масса 1270 кг, длина 366 см, размах 153 см) – 27 марта на высоте 29 км достиг скорости 2100 м в секунду, то есть 7600 км/час. Впервые в истории мировой авиации такая скорость поддерживалась прямоточным двигателем сверхзвукового горения (Supersonic Combustion Ramjet – SCRAMJET), питаемым водородом, горящим буквально на «сверхзвуковом ветру»: за 8 секунд был истрачен килограмм водорода, запасенного в двух контейнерах под давлением 600 атмосфер...

Проблему «теплового барьера», неминуемо возникающую при полетах на таких скоростях в атмосфере (температура у передней кромки достигает 2000╟ К), американцы решили, сделав носовую часть Х-43А из вольфрама, среднюю – из никелевого сплава, а корму – из меди. Но сначала в воздух на высоту около 11 км поднялся знаменитый 200-тонный стратегический «Боинг В-52». На скорости не более 1000 км/час эта махина «уронила» аппарат массой тонн в 15. Несколько более 13 тонн пришлось на ракету «Pegasus», несущую этот самый Х-43А, который получил от «Pegasus» ускорение, достаточное для развития скорости в семь скоростей звука (Мах 7). Затем ускоритель отпал, и целых 8 секунд Х-43А уже сам поддерживал эту рекордную скорость.

На создание и испытания этого аппарата, спроектированного по некогда сверхсекретной программе HYPER-X, американцы лет за семь истратили свыше четверти миллиарда долларов. Более того, в целом разработки такого рода уже поглотили более миллиарда и темп расходов имеет тенденцию к росту.

Истоки «прямоточки»

Однако специалисты США начали отнюдь не с нуля! Принцип «прямоточки», то есть воздушно-реактивного двигателя, работающего без компрессора, вращаемого турбиной, притом обещающего коэффициент полезного действия вдвое больший, был известен уже 70 лет назад. Его автор – Рэнэ Лорин (1877–1933), французский офицер-артиллерист. Передовые умы, в том числе наш Циолковский, поддержали эту гениально простую интуитивную идею «летать на почти пустой трубе».

Но понадобился гений Бориса Сергеевича Стечкина (1891–1969) – племянника «отца» русской авиации Николая Жуковского, классика теории авиационных двигателей (в т.ч. теории их коэффициента полезного действия), чтобы подвести под интуитивную идею прочную расчетную базу. В 1929 году Стечкин публикует (открыто!) фундаментальные положения теории воздушно-реактивных двигателей вообще и «прямоточек» в частности. В 30-х годах Рэнэ Ледюк (Франция) и И.Меркулов (СССР) создают первые реальные конструкции самолетных «прямоточек», но сами самолеты еще слишком тихоходны для эффективного применения такого перспективного двигателя.

Когда в 1944 г. в агонизирующей Германской империи тамошней авиаконструкторской элитой предпринимались попытки создавать разного рода «чудо-оружие возмездия», появился хорошо продуманный проект сверхзвукового (2000–2500 км/ч) перехватчика, сконструированного Александром Липпишем (главным специалистом по аэродинамике фирмы «Мессершмит»). Этот аэроплан, движимый «лорин-прямоточкой», не успели даже начать строить. Однако в порядке конверсии немецких разработок его все-таки отчасти осуществили.

Речь идет о знаменитом пассажирском лайнере, англо-французском «Конкорде», раз в сорок более тяжелом и снабженном все-таки надежными турбореактивными двигателями (четыре британских «Олимпа»). В проекте «Конкорда» был использован и принцип оптимизации сверхзвуковых двигателей, открытый австрийцем Клаусом Осватичем (1944 г.).

«Буря» в пустыне «Навахо»

За многие годы до «Конкорда» и советского Ту-144 были проведены в СССР сверхсекретные летные испытания крупного (около 100 т) летательного аппарата-робота «Буря», снабженного мощнейшей (даже по нынешним меркам) «прямоточкой» РД-12У конструкции последователя Стечкина – Михаила Бондарюка (1908–1969). Эта крылатая громадина имела ядерную боеголовку. Ее создание начиналось в КБ Сергея Королева и завершалось в КБ Семена Лавочкина.

Испытания «Бури» проходили в целом успешно, в том числе четырежды по трассе 7000 км, покрывая путь в 6500 км со скоростью до 3700 км/час на высоте 21–25 км. Было это в 1957–1960 годах, но по нашей традиции штопать «тришкин кафтан» эту тему закрыли, отдав предпочтение баллистическим ракетам – прежде всего знаменитой «семерке» Сергея Павловича Королева. Поэтому так и не взлетела подобная, но еще более массивная (125 т) и дальняя (8500 км) «система 40» конструкции В.М. Мясищева... Кстати, параллельные усилия американцев увенчались испытанием гиперзвукового аппарата «Навахо» массой 66 т при дальности 5400 км и практически при той же скорости и высоте, что и наши, но с боеголовкой, меньшей раза в полтора. Два двигателя «Навахо» развивали тягу менее 8 т, а один двигатель Бондарюка – более 10 т. (Бондарюк не успел реализовать свой замысел – создать «прямоточку» с Мах 12.) Однако и у американцев нашлись свои причины закрыть проект «Навахо».

Затем не стало ни Стечкина, ни Бондарюка, ни Мясищева и сыграла свою игру уникальность «роли личности в истории». «Прямоточки» стали у нас развивать для «компактных» ракетных систем, достигнув скоростей около 5000 км/час. США тем временем вложили весьма серьезные средства в скандально известный стратегический разведчик Локхид «Black Bird» (SR-71), летающий на высоте около 28 км со скоростью несколько выше 3000 км/ч (Мах 3) при «полупрямоточном» режиме работы двигателей.

В погоне за кислородом

Шли годы, почти с самого начала перестройки прогресс авиации в России «оказался рыночно не оправданным», и секреты наших перспективных «прямоточек» задешево стали достоянием «партнеров по НАТО» – французов, которые, конечно же, делились таковыми с другими «партнерами» – прежде всего с американцами.

Но американцы вряд ли поделятся с нами самыми сокровенными деталями своего нынешнего рекорда на Х-43А. Почему? Летательные аппараты с «прямоточками» обещают слишком многое: вплоть до совершенствования парка боевых крылатых ракет.

В отличие от ракет, которыми пока монополизированы скорости за 5000 км/час, летательные аппараты с прямоточными двигателями практически не смогут работать на высотах более чем примерно 80 км, где атмосфера уже слишком разрежена для них. Дело в том, что ракетный двигатель движет летательный аппарат, отталкиваясь от ускоряемой массы («продуктов» своей работы). Этот эффект достигается всецело за счет предстартовых запасов этой массы (топлива и окислителя).

«Прямоточка» же захватывает окислитель (кислород) в полете непосредственно из окружающей атмосферы – встречного потока воздуха. И чем быстрее полет, тем сильнее встречный поток воздуха, эффективнее процесс захватывания кислорода, который как бы самоуплотняется в прямоточном двигателе. Поэтому КПД такого двигателя растет со скоростью, достигая около 70% при скорости Мах 7, которая как раз и достигнута американцами при испытаниях Х-43А. (У знаменитых «Боинга-777» и "Эрбас -380" КПД достигает 35%.)

Итак, замена классического ракетного двигателя на прямоточный дает явную экономию веса и объема летательного аппарата за счет использования окислителя из атмосферы – при тех скоростях (Мах 5–10 и даже более), где до сих пор монопольно летали только ракеты.

Еще одно роскошное потенциальное преимущество «прямоточек» – «аэродинамическое качество»: отношение подъемной силы (горизонтального полета) к силе сопротивления. Здесь ключевой момент – оптимизированная форма летательного аппарата: интегральное сочетание фюзеляжа с крылом. В то время как вертикально взлетающая система «Шаттл» массой около 2500 т требует примерно 3000 т ракетной тяги, 130-тонный «Конкорд», скажем, летит со скоростью 2200 км/час под действием тяги всего в 18 т на высоте 16 км. Правда, аэродинамическое качество при Мах 7 (7600 км/час) будет всего около 5, т.е. «Гиперконкорд» потребует тяги примерно 400 т при собственной массе 2000 т.

А что дальше? В ближайшие годы будут освоены скорости 15 000 и, вероятно, 20 000 км/час. Еще менее банален совсем иной фрагмент будущего. Речь идет об освоении атмосферы Марса, где нет свободного кислорода (он связан в молекуле углекислого газа – диоксида углерода). Откуда же взять необходимую энергию для нагрева? По моему мнению, марсианские «прямоточки» будут получать тепло со стороны – от бортовых ядерных или термоядерных реакторов, либо от лазерных лучей стационарных и мобильных установок...

Впрочем, тема авиации для марсианских экспедиций, на создание которой США без лишнего шума затрачивают уже не первый год десятки миллионов долларов, требует уже отдельного рассмотрения.