0
3338
Газета Наука Интернет-версия

19.05.2004 00:00:00

Гиперзвуковой полет на пустой трубе

Валентин Белоконь

Об авторе: Валентин Анатольевич Белоконь - академик Российской академии космонавтики, Российской академии естественных наук и Академии исследований будущего.

Тэги: гиперзвук, самолет, двигатель


гиперзвук, самолет, двигатель 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.


Комментарии для элемента не найдены.

Читайте также


Карнавальный переворот народного тела

Карнавальный переворот народного тела

Юрий Юдин

100 лет тому назад была написана сказка Юрия Олеши «Три толстяка»

0
342
Тулбурел

Тулбурел

Илья Журбинский

Последствия глобального потепления в отдельно взятом дворе

0
344
Необходим синтез профессионализма и лояльности

Необходим синтез профессионализма и лояльности

Сергей Расторгуев

России нужна патриотическая, демократически отобранная элита, готовая к принятию и реализации ответственных решений

0
281
Вожаки и вожди

Вожаки и вожди

Иван Задорожнюк

Пушкин и Лесков, Кропоткин и Дарвин, борьба за выживание или альтруизм и другие мостики между биологией и социологией

0
182

Другие новости