Мания гиперзвука

На Западе его называют хлёстко звучащим словом scramjet. На русский язык этот термин переводится длиннющим словосочетанием "гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель".

Мистер Уильям Эвери прожил 91 год. Долгая жизнь, и не зря прожитая, учитывая, что за наследство он оставил человечеству. Возможно, не стоило бы начинать статью столь пессимистично, однако дело в том, что Эвери умер ровно в тот год, когда придуманный им двигатель в очередной раз отметился в Книге рекордов Гиннеса, в десять раз превысив скорость звука.

Правильно, речь идёт о том, что на Западе называют хлёстко звучащим словом Scramjet. На русский язык этот термин переводится длиннющим словосочетанием "гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель" (Supersonic Combustion Ramjet).

Supersonic - гиперзвуковой. Combustion - сгорание, с этим всё понятно, в конце концов, Scramjet - это род реактивных двигателей. А вот что означает слово Ramjet, из которого выведено Scramjet?

Ramjet - это реактивный двигатель, в котором воспламенение топлива осуществляется путём подачи мощного прямого потока воздуха. Существует такое технологическое понятие, как эффект скоростного напора (ram effect). Если летательный аппарат летит с высокой скоростью, то искусственного нагнетания воздуха для окисления/сжигания топлива не требуется.

Таким образом, ramjet-двигатель, по сути дела, представляет собой трубу определённой конструкции, обычно лишённую каких-либо крупных подвижных частей, а стало быть, весит значительно меньше, например, турбореактивного двигателя.

А в авиации вес летательного аппарата - это один из ключевых вопросов, как известно.

Ramjet обладает рядом малоприятных недостатков: в частности, он малоэффективен на скоростях менее 1000 км/ч (до разгона в половину скорости звука бесполезен вовсе), и вообще, склонен работать нормально только на заранее рассчитанных скоростях и высотах.

Некоторое время двигатели такого типа использовали в боевых ракетах. До рабочей скорости ramjet их разгоняли ракетные двигатели, а если такая ракета прикреплена к корпусу сверхзвукового истребителя, то в каком-либо другом двигателе необходимости не было вообще.

Но сейчас их заменили всё-таки либо малые турбовентиляторные, либо ракетно-реактивные двигатели.

Принципиальное различие между ramjet и scramjet состоит в том, что в ramjet нагнетаемый воздух тормозится до скорости ниже звуковой.

В scramjet прямой поток воздуха, разогревающий и воспламеняющий топливо (водород, как правило) проходит сквозь всю конструкцию на сверхзвуковой скорости…

Вообще говоря, эксперименты со scramjet-двигателями ведутся уже очень и очень давно. В частности ещё на рубеже 1960-1970-ых годов ВМФ США вел эксперименты с двигателем SCRAM, а позднее существовала некая программа NASP (National Aerospace Plane), закрытая в 1994 году.

Характерно, что большая часть результатов этих экспериментов остаётся засекреченной.

В 1996 году начались первые эксперименты в рамках программы Hyper-X. Принципиальное различие между NASP и Hyper-X состоит в технологическом подходе: в рамках NASP инженеры стремились собрать воедино множество новых, неиспытанных ещё технологий сразу в одном крупномасштабном аппарате. Эта затея себя не оправдала, и разработчики Hyper-X приняли другой план действий: постепенное расширение диапазона используемых технологий, по мере того как проводятся эксперименты, и совершенствуются прежние разработки.

Кроме того, вместо того чтобы пытаться построить сразу крупный scramjet-аппарат, были созданы три некрупных аппарата X-43A…

Первое испытание было произведено в 2001 году. Поднявшаяся в воздух конструкция, выглядела довольно странно, даже, пожалуй, аляповато: аппарат поднимался в воздух, будучи прикреплённым к брюху тяжёлого бомбардировщика B-52. К самому X-43A была пристроена ракета Pegasus, разгонявшая X-43A до трёх скоростей звука, после чего начинал функционировать scramjet-двигатель.

Иначе говоря, сначала в воздух поднималось нечто громадное, затем от него отделялось и набирало громадную скорость что-то помельче, а затем отделялся совсем миниатюрный, по сравнению с остальными частями, аппарат и с дикой скоростью уносился вдаль.

Увы, первое же испытание окончилось провалом: X-43A начал отклоняться от курса, и было принято решение о его ликвидации.

После этого в течение целых двух лет шло расследование причин аварии, приведшей к потере весьма недешёвого аппарата. В 2003 году было объявлено, что главной причиной явились просчёты конструкторов, а точнее, неправильная интерпретация результатов компьютерного моделирования и испытаний аппарата в аэродинамической трубе.

Принцип "не гонялся бы ты, поп, за дешевизной" тоже был помянут, и не всуе, судя по всему.

Испытания были возобновлены только в 2004 году. Промежуточно-финальный аккорд прозвучал 16 ноября, когда после ряда обычных для NASA задержек и перепроверок (если бы они ещё служили гарантией безопасности!) состоялся успешный запуск, и X-43A разогнался до скорости более 11 тысяч км/ч, вдесятеро превысив скорость звука…

А между тем, не только американцы занимаются экспериментами с прямоточными гиперзвуковыми двигателями.

Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова много лет занимается гиперзвуковыми прямоточными воздушно-реактивными двигателями.

ЦИАМ в сотрудничестве с французскими учёными, если верить Wikipedia, в 1992 году испытывали ГПВРД в Казахстане.

С 1994 по 1998 годы NASA в сотрудничестве с инженерами ЦИАМ испытывали двухрежимный scramjet-двигатель. В результате, удалось добиться скорости в 5-6 Махов (скоростей звука). 12 февраля 1998 года был осуществлён заключительный запуск на борту ракеты SA-5 класса "земля - воздух", но, по сведениям NASA, результаты получились "неубедительными".

На сайте самого ЦИАМ читаем следующее:

В начале 70-ых годов в ЦИАМ был создан натурный экспериментальный турбопрямоточный двигатель (ТРДП). Проведен на стенде комплексный эксперимент по определению газодинамических и тепловых характеристик ТРДП в условиях, близких к реальным.

В эти же годы начались активные исследования гиперзвукового воздушно-прямоточного двигателя (ГПВРД), приведшие к созданию гиперзвуковой летающей лаборатории (ГЛЛ) "Холод", на которой впервые в мире было проведено летное испытание водородного ГПВРД при числе М=5,7. Анализ результатов испытаний показал удовлетворительную работу двигателя и его систем.

В последние годы в ЦИАМ существенно расширены фундаментальные исследования в области газовой динамики, горения, теплопередачи и охлаждения, прочности, электронных систем регулирования и их программного обеспечения. На основе этих исследований разработаны методы расчета пространственных течений в элементах ВРД и их проектирования, существенно повышающие эффективность двигателей.

Австралийцы занимаются программой HyShot: 30 июля 2002 года произвёл первый испытательный запуск scramjet-аппарата, разработанного в Университете штата Квинсленд.

Особое внимание привлекает то, каким образом осуществлялся разгон: с помощью ракетоносителя Orion-Terrier аппарат HyShot был поднят на высоту 314 км (т.е. был выведен в открытый космос). Затем аппарат по параболической траектории вернулся в плотные слои атмосферы, на скорости в 7,6 Маха, и когда заработал scramjet-двигатель, HyShot в течение 6 секунд шёл ровно на той же скорости. При этом австралийцы потратили на всё про всё 1,1 млн. долларов США, а NASA - 250 миллионов. Как говорится, почувствуйте разницу.

Краснея, сотрудники NASA объясняли разницу в цене различиями в конструкции аппаратов…

И что дальше? А, собственно, пока ничего. Да, scramjet-аппараты разгоняются до потрясающих скоростей - более 10 Махов. Теоретически эта скорость позволяет преодолевать расстояние от Лондона до Сиднея за два часа.

Проблема в том, что самый продолжительный пока полёт scramjet-аппарата (X-43A) занял что-то около десяти секунд. Можно сказать, что первый шаг сделан, да только, если посчитать, сколько времени идут уже разработки ГПВРД, невольно призадумаешься о том, когда же ждать более серьезных результатов.

Ведь, как уже сказано, scramjet-двигатель начинает работать только на очень значительных скоростях. Понятно, что модель запуска, при которой крупный самолёт поднимает гиперзвуковую кроху в воздух, затем запускается ракетный двигатель, а уж потом scramjet, едва ли годится для реального использования в гражданской авиации. Понятно также, что использовать один только ГПВРД не представляется возможным: для разгона в любом случае понадобится что-то ещё. А вот что еще непонятно, так это как быть с перегрузками...