Боротьба за гіперзвук

Швидше, вище, сильніше. Олімпійське гасло справедливе не тільки для спорту, а й для авіації. Особливо яскраво тяжіння до високих швидкостей та великих висот проявилася у другій половині XX століття. Обидві світові наддержави у цей період часу працювали над своїми проектами понад-, а потім і гіперзвукових літальних апаратів — лише велика швидкість могла вивести літак на захмарні висоти. Прагнення до великих швидкостей та висот цілком зрозуміле — бомбардувальник, вийшовши в космос, зміг би доставити «посилку» на голову противника куди швидше, ніж вже наявна техніка. До того ж, якщо можна створити космічний гіперзвуковий бомбардувальник, значить, повинні бути зроблені й аналогічні винищувачі. Ці апарати повинні були б боротися не тільки з бомбардувальниками, але й з бойовими частинами балістичних ракет. Однак сама ідея — навіть не половина і не десята частина всієї справи. Створення гіперзвукових літальних апаратів, тим більше пілотованих, виявилося настільки складним завданням, що американський літак-ракетоплан North American X-15 (перший політ 8 червня 1959 року) протягом декількох десятків років залишався єдиним подібним апаратом, який зміг вийти на заплановані значення висоти та швидкості.

Розгін по «Спіралі»

На початку 60-х років минулого століття радянські військові та інженери дізналися, що в США йдуть роботи з проектування багаторазового повітряно-космічного літака, здатного виконувати ударні і розвідувальні завдання. Відповіддю на програму X-20 повинна була би стати «Спіраль». Роботи по цій темі у 1965 році доручили ДКБ-155 (мікоянівській фірмі), а головним конструктором призначили Г.Є. Лозино-Лозинського. За проектом «Спіраль» – орбітальний літак, який повинен був виводитися у космос за допомогою гіперзвукового розгінного літака і ракетного прискорювача. У контексті розгляду проблеми гіперзвукових літальних апаратів найбільший інтерес представляє не орбітальний літак, але так звані «Розгонщики». У деяких джерелах він згадується як виріб «50-50». Цей «літак-безхвостка» завдовжки 38 метрів і з розмахом крила 16,5 м у проекті мав трикутне крило з напливом. Стріловидність останнього була 80° по передній кромці, а основної частини крила — 60°. На кінцях крила розміщувалися два кіля: через те, що орбітальний літак з розгінним блоком повинен був встановлюватися на верхній поверхні фюзеляжу «50-50» у спеціальному ложементі, застосувати один «класичний» кіль виявилося неможливим. На підході до гіперзвуку мав випускатися підфюзеляжний гребінь, розташований у хвостовій частині літака. Для полегшення здійснення посадки на «Розгонщику» вперше у вітчизняній практиці застосували опускаючу носову частину (Т-4 і Ту-144 будуть трохи згодом).

На додаток до зовнішності літака, який немов вийшов з фантастичного оповідання або фільму, на проекті «50-50» пропонувалося використовувати принципово нові двигуни. ОКБ-165 А.М. Для цього було розроблено турбореактивний двигун, розрахований для використання в якості палива рідкого водню. Чотири таких двигуна повинні були розміщуватися у задній частині машини у вертикальних пакетах по два. Водень був обраний в якості палива невипадково — він не тільки горить з достатнім виділенням енергії, але й здатний деякою мірою охолоджувати лопатки турбіни. У результаті ТРД звичайної схеми міг би видавати велику потужність без ризику руйнування конструкції. У такому випадку можна було б відмовитися від поєднання турбореактивного та прямоточного двигунів. У ході створення двигуна для «50-50» лунали навіть кардинальні пропозиції щодо його конструкції. Так, наприклад, пропонувалося зовсім вивести турбіну з газового тракту і обертати її нагрітим воднем. Випаровуватися і доходити до потрібних температур він повинен був у теплообміннику перед компресором двигуна. Слід відзначити, що у 60-х створити теплообмінник з ефективними термодинамічними показниками та стерпною аеродинамікою не вдалося. У 70-х також. До цього часу ні у кого в світі немає такої конструкції. У якості тимчасового заходу в області моторів ОКБ-300 отримало завдання на розробку гасового ТРД відповідної потужності. Роботи з альтернативної силової установки зі змінним успіхом йшли до самого закриття програми «Спіраль».

Інший важливий елемент силової установки — гіперзвуковий повітрезабірник. Для забезпечення нормальної швидкості потоку на вході в компресори двигунів довелося пропрацювати не тільки вхідний пристрій, а й нижню поверхню фюзеляжу. На відстані близько 10 метрів від початку повітрезабірника вона має плоску поверхню з кутом атаки 4°. У 3,25 метрах від вхідного пристрою кут різко збільшується до 10°, а у 1,3 метрах починається третя панель, розташована під 20 градусів до потоку. Завдяки такій формі «черева» літака швидкість потоку на підході до двигуна була прийнятною. Теплова стійкість конструкції забезпечувалася застосуванням відповідних матеріалів. Добре те, що на той час у радянських авіабудівників та фахівців з матеріалознавства був достатній досвід у цій сфері.

«50-50» з гасовими двигунами, за розрахунками, повинен був мати крейсерську швидкість близько М=4 та дальність у 6-7 тис. кілометрів. Водневі двигуни збільшували ці показники до M=5 та 12000 км відповідно. Літак-Розгонщик системи «Спіраль» був першим гіперзвуковим літальним апаратом з повітряно-реактивними двигунами, який випробовувався у ЦАГІ. У деяких джерелах згадується опрацювання пасажирського варіанту «50-50», але крім основної розгінної роботи, для цього літака передбачалася виключно розвідувальна. Будівництво розгінного літака спочатку планувалося почати в 1971 році з подальшим початком льотних випробувань у 72-73-му. Однак, замість закладки Розгонщика, проект «Спіраль» закрили. Разом з ним «загинули» два варіанти реактивних двигунів. У той же час, напрацювання з орбітальним літакам комплексу було використано при створенні системи «Енергія-Буран».

Лабораторний «Холод»

До тематики гіперзвукових польотів і всієї супутньої техніки повернулися у 1979 році. Першочерговим завданням було дослідження рідкого водню і скрапленого природного газу у якості палива. Також потрібно було створити реактивні двигуни під це паливо. Більше того, було потрібно не тільки провести фундаментальні дослідження і проектні роботи, а й знайти ефективні варіанти інфраструктури, пов’язаної з експлуатацією двигунів на криогенному паливі. З цієї причини до проекту залучили безліч різних підприємств, а головним підприємством з виробництва двигунів призначили московський Центральному інституті авіаційного моторобудування ім. П.І. Баранова (ЦІАМ).

У випробуваннях гіперзвукових прямоточних повітряно-реактивних двигунів (ГППРД) є одна принципова проблема: в наземних випробувальних установках неможливо з потрібною точністю відтворити всі умови, в яких працюють такі двигуни. У Сполучених Штатах це питання збиралися вирішувати встановленням експериментальних прямоточників на ракетоплані X-15, але екземпляр літака, на якому планувалося проводити випробування, розбився незадовго до першого польоту з ГППРД. Вітчизняні інженери, у свою чергу, не стали мудрувати з багаторазовим носієм експериментальних двигунів і обрали в якості такого наявні зенітні ракети. Спільно з Хімкинським КБ «Факел» ЦІАМ створив гіперзвукову літаючу лабораторію (ГЛЛ) «Холод». Її основою стала зенітна ракета 5В28 комплексу С-200В. По-перше, ця ракета мала відповідні параметри польоту, а по-друге, її у найближчій перспективі планувалося знімати з озброєння, що благотворно позначилося б на вартості всієї програми. З вихідної ракети 5В28 знімалася бойова частина, а на її місце встановлювався блок з випробовуваною апаратурою. До його складу входила система керування, паливний бак, паливна система, а також двигун Е-57. Розрахункова швидкість, при якій цей ГППРД міг працювати, знаходилася у межах від 3,5 М до 6,5 М. Робоча висота — 15-35 км. Незважаючи на велику ступінь уніфікації конструкції «Холода» з ЗРК С-200В, ЦІАМ знадобилося заново створювати машину-паливозаправник, розраховану для роботи з рідким воднем.

На жаль, основна маса робіт по темі «Холод» припала на ті часи, коли науці вже стало приділятися значно менше уваги, ніж було необхідно. Тому вперше ГЛЛ «Холод» полетіла тільки 28 листопада 1991 року. У цьому і наступному польотах, слід зауважити, замість головного блоку з паливною апаратурою і двигуном був встановлений його масогабаритний макет. Річ у тім, що у ході перших двох польотів відпрацьовувалася система керування ракетою і вихід на розрахункову траєкторію. Починаючи з третього польоту, «Холод» випробовувався у повній комплектації, однак знадобилося ще дві спроби для відбудови паливної системи експериментального блоку. Нарешті, останні три випробувальних польоту проходили з подачею рідкого водню до камери згоряння. У результаті до 1999 року було проведено всього сім пусків, проте вдалося довести час роботи ГППРД Е-57 до 77 секунд — фактично, максимальний час польоту ракети 5В28. Максимальна швидкість, яка була досягнута літаючою лабораторією, склала 1855 м/с (~ 6,5 м). Післяполітні роботи над апаратурою показали, що камера згоряння двигуна після осушення паливного бака зберігала свою працездатність. Вочевидь, що такі показники вдалося досягти завдяки постійним доопрацюванням систем за результатами кожного попереднього польоту.

Випробування ГЛЛ «Холод» проводилися на полігоні Сарі-Шаган в Казахстані. Через проблеми з фінансуванням проекту у 90-х роках, тобто у той період, коли йшли випробування та доведення «Холода», в обмін на наукові дані довелося залучати закордонні наукові організації, казахські та французькі. У результаті семи випробувальних пусків була зібрана вся необхідна інформація для продовження практичних робіт з водневим ГППРД, скориговані математичні моделі роботи прямоточних двигунів на гіперзвукових швидкостях і т.д. На даний момент програма «Холод» закрита, але її результати не зникли й використовуються у нових проектах.

Прошиваючи звуковий бар’єр

Прямим продовжувачем робіт, розпочатих у програмі «Холод», є літаюча лабораторія «Голка» (Дослідницький Гіперзвуковий літальний апарат). Перші згадки про цей проект з’явилися ще у 1997 році, а макет вперше представили публіці на салоні МАКС-99. Черговий раз у роботі над проектом беруть участь відразу кілька конструкторських бюро, але координацію програми та основні роботи, як і раніше, веде ЦІАМ. Завданням на «Голку» визначалася швидкість у межах М=6-14 та на висотах від 25 до 50 кілометрів. Крім того, нова літаюча лабораторія повинна була мати значно більшу тривалість самостійного польоту, ніж «Холод» — 7-12 хвилин. Виводити на потрібну висоту та розганяти «Голку» до швидкості включення двигуна повинна була ракета-носій «Рокот», створена на базі міжконтинентальної УР-100Н.

Однак є всі підстави вважати, що перший політ ГЛЛ «Голка» у середині 2000-х так і не відбувся, хоча й планувався. Або ж «Голка» полетіла, але роботи були засекречені. У всякому разі, макет літаючої лабораторії регулярно демонструють на різноманітних виставках авіаційної та космічної техніки, але про хід програми інформація відсутня. Аналогічним чином йдуть справи з низкою інших аналогічних проектів — макети є, даних немає. Невідомо, чому ЦІАМ досі не запустив «Голку» або приховує факт пуску. Залишається лише здогадуватися, що це пов’язано або зі складністю освоєння нових технологій або ці проекти раптово опинилися під грифом секретності.

***

Якщо вченим світу все-таки вдасться довести до ладу гіперзвукові літальні апарати, то цю техніку чекає дві основні сфери їхнього застосування: суборбітальні вантажні або пасажирські польоти та військове застосування. Так, наприклад, кілька років тому у пресі пройшла інформація про випробування російської гіперзвукової крилатої ракети для стратегічних бомбардувальників, яка за інформацією деяких джерел отримала назву Х-90.

Як стверджувалося, її крейсерська швидкість сягає М=4-5, що дозволяє скоротити час польоту до цілі до мінімуму. 26 травня 2010 в США відбувся перший політ дослідного екземпляра гіперзвукової ракети X-51A. За 3,5 хвилини роботи прямоточного двигуна вона встигла уп’ятеро перевищити швидкість звуку. Якщо все піде як треба, X-51 потрапить до збройних сил тільки у 2017-18 році.

Крім того, в обох країнах, вочевидь, ведуться роботи над гіперзвуковими бойовими блоками для ракет. Однак, зі зрозумілих причин, про ці проекти майже нічого невідомо. Щоправда, американці, які люблять робити рекламу своїх творінь, з деякого часу не приховують свої роботи у сфері доктрини «швидкого глобального удару». З 2010 року було проведено декілька пусків експериментальних апаратів AHW (Advanced Hypersonic Weapon — перспективна гіперзвукова зброя) і Falcon HTV-2. Стверджується, що другий апарат у ході першого ж польоту розігнався до 20М. Наскільки це відповідає дійсності — невідомо, хоча є привід сумніватися у рекорді. Річ у тім, що американці і самі не приховують, що з цьому польоті виникли великі проблеми з телеметрією, і експериментальний апарат просто не зміг передати на землю точних даних. До того ж, як стверджується, незабаром після відділення від ракети-носія, HTV-2 почало крутити «бочки». Коли швидкість обертання перевищила допустиму, траєкторію експериментального безпілотника змінили і спрямували його до океану. Другий політ Falcon HTV-2 у квітні минулого року був більш вдалішим: перші 25 хвилин польоту пройшли штатно, а потім зв’язок з апаратом зник. Зараз у Пентагоні вирішують, чи бути третьому польоту. Про проект AHW інформації ще менше. Відомо тільки те, що апарат під назвою HGB у листопаді 2011 року за півгодини польоту розігнався до швидкості 5М або 8М.