Удачі і провали гіперзвукових літальних апаратів

Постійні роботи по збільшенню швидкості літальних апаратів вже на початку шістдесятих років минулого століття довели авіацію до гіперзвукових швидкостей.

Експериментальний ракетоплан North American X-15 здійснив майже двісті польотів, в більшій частині яких розганявся до швидкості, в п’ять разів перевищує швидкість звуку. Подібні швидкості обіцяли літальним апаратам великі перспективи, в першу чергу бойові. Однак ряд особливостей гіперзвукового польоту дуже сильно утруднював створення нових ракетопланів або подібних їм апаратів, придатних для практичного використання.

Найбільш яскравим прикладом труднощі створення подібних конструкцій стали радянський і американський проекти «Спіраль» і Boeing X-20 Dyna-Soar. У ході цих проектів обидві країни провели масу досліджень, побудували кілька експериментальних літальних апаратів і витратили багато сил і часу. Тим не менше, «Спіраль» і X-20 так і не полетіли. Складність, дорожнеча і не цілком ясні перспективи в підсумку призвели до закриття обох проектів та зміни пріоритетів потенційних замовників. Для більш повного розуміння тієї ситуації варто трохи докладніше розглянути «Спіраль», X-20 та інші проекти більш пізнього часу.

Американський «винищувач»

У 1957 році США почали програму X-20 Dyna-Soar, метою якої було створення багатофункціонального пілотованого орбітального літака. В залежності від тактичної необхідності апарат X-20 повинен був проводити розвідку об’єктів супротивника, наносити по ним удари або знищувати ворожі орбітальні апарати, в тому числі і подібні йому літаки. Незалежно від тактичного завдання Dyna-Soar мав велику перевагу перед традиційною авіацією: існуючі і перспективні зенітні системи за визначенням не могли збити його. Таким чином, противнику залишалося б тільки спостерігати за польотом X-20 за допомогою радарів і усвідомлювати свою безпорадність.

Вже на початку робіт за проектом X-20 сформувалося дві методики його можливого застосування. Перша, під назвою boost-glide (розгін і планування) передбачала висновок орбітального літака на висоту близько 150-160 кілометрів над землею, після чого він переходив в плануючий політ. Оскільки під час польоту за методом boost-glide швидкість апарата не повинна була перевищувати першу космічну, він весь час залишався б на необхідній відстані від поверхні планети, але при цьому не ризикував полетіти в космос. Після виведення на потрібну висоту за допомогою ракети-носія прискорювача апарат повинен був вийти в район цілі і здійснити зниження до висоти близько 50-60 кілометрів. У нижній частині траєкторії Dyna-Soar повинен був проводити фотозйомку об’єктів або скидати бойове навантаження. Далі, маючи високу швидкість літак повертався б на велику висоту, хоча і меншу в порівнянні з початковою. За допомогою постійних «пірнань» в атмосферу X-20, за розрахунками фахівців компанії Boeing, протягом декількох годин міг би вчинити виток навколо Землі і сісти на аеродромі поруч з місцем старту. Примітно, що X-20 в конфігурації для польоту boost-glide не планувалося оснащувати двигунами. Всі маневри апарат повинен був здійснювати виключно за рахунок «обміну» висоти на швидкість і назад.

Другий варіант застосування X-20 призначався для перехоплення супутників або інших космічних апаратів. У такому випадку після виведення на орбіту з апаратом залишався зістикований спеціальний розгінний блок, що дозволяв йому маневрувати. Така конфігурація давала б Dyna-Soar можливість перебувати на орбіті протягом декількох діб, маневрувати, виявляти і знищувати космічні апарати супротивника. Після закінчення чергування розгінний блок повинен був давати гальмівний імпульс і переводити X-20 на траєкторію спуску. Перехоплювач на базі X-20 передбачалося оснащувати радіолокаційною станцією виявлення об’єктів противника, а також ракетним озброєнням для їх знищення.

Спочатку в конкурсі на розробку космічного апарату Dyna-Soar претендувало кілька компаній, але в підсумку була обрана фірма Boeing. В її версії перспективний Космоплан виглядав наступним чином. Апарат завдовжки майже 11 метрів мав трикутне крило розмахом 6,2 м. Крило великої стріловидності розташовувалося безпосередньо під фюзеляжем і на певних етапах польоту повинно було виконувати функцію аеродинамічного гальма. Управління апаратом під час посадки повинно було здійснюватися за допомогою елевонів на задній крайці крила і двох кілів з рулями напрямки, розташованих на закінцівках консолей. Цікавим чином був скомпонований фюзеляж. У передній його частині розташовувалися електроніка і газодинамічні рулі. За апаратурним відсіком розташовувалася кабіна пілота. Один «космо-пілот» міг повністю керувати всіма системами орбітального літака. Органи управління X-20 пропонувалося робити по аналогії із звичайними літаками: ручка управління по крену і тангажу, а також педалі. Управління розгінним блоків у варіанті космічного перехоплювача планувалося здійснювати за допомогою окремої панелі управління. Для порятунку пілота пропонувалося застосовувати катапультованому крісло з твердопаливним двигуном. Однак, як не старалися інженери «Боїнга», їм так і не вдалося забезпечити порятунок на високих швидкостях, починаючи з М = 1,5-2. Відразу за кабіною розташовувався грузовідсік, в якому можна було розмістити озброєння загальною вагою до тисячі фунтів (близько 450 кг). Нарешті, кормова частина фюзеляжу віддавалася під агрегати стикування з розгінним блоком або ракетою-носієм.

Зважаючи величезних розрахункових швидкостей — при польотах в атмосфері X-20 повинен був розганятися до 7-7,5 кілометрів на секунду — конструкція планера складалася виключно з тугоплавких металів і сплавів. Примітно, що захист конструкції від перегріву повинна була здійснюватися виключно скиданням теплової енергії у вигляді випромінювання. Теплопоглинальні або поступово згоряють матеріали не передбачалися. Засклення кабіни майже на всьому протязі польоту закривалося спеціальним обтічником. Таким чином, пілот міг оглядати навколишню обстановку через скла тільки під час посадки, коли обтічник скидався. Для посадки X-20 планувалося оснастити тристійковим лижним шасі.

Перший політ апарату X-20 повинен був відбутися в 1964 році. Менш ніж через рік планувалося запустити в космос перший Dyna-Soar з пілотом на борту. Автори проекту встигли побудувати кілька макетів різних систем, вибрати шість льотчиків-випробувачів і почати підготовку до будівництва прототипу. Однак після декількох років суперечок американські військові перестали бачити необхідність в апараті X-20. На їхню думку, запуск подібного літака був надто складним і дорогим. Тому більший пріоритет отримав проект орбітальної станції MOL, а потім і Skylab. Програму X-20 закрили за безперспективністю. Частина технологій згодом була використана при розробці нових багаторазових космічних апаратів.

Радянська «Спіраль»

Приблизно одночасно із закриттям проекту Dyna-Soar на іншій стороні планети тільки-тільки почалися активні роботи по схожому проекту. У той же час, радянські конструктори з ОКБ А.І. Мікояна під керівництвом Г.Є. Лозино-Лозинського обрали дещо інший шлях доставки бойового орбітального літака на робочу висоту. Замість ракети-носія, дорогий у виробництві, одноразової та вимагає порівняно складні стартові споруди, було запропоновано використовувати спеціальний літак-Розгонщик. Він мав піднімати орбітальний апарат на певну висоту, розганяти його до гіперзвукової швидкості і скидати. Далі орбітальний літак за допомогою додаткового ракетного прискорювача виводився на робочу висоту, де міг виконувати своє завдання. Таким чином, з усієї системи «Спіраль» одноразовим був лише прискорювач орбітального апарату. Всі інші елементи комплексу в цілості й схоронності поверталися назад і могли використовуватися знову.

Незважаючи на те, що головною частиною комплексу «Спіраль» був орбітальний літак, найбільший інтерес представляє саме літак-Розгонщик. Він повинен був здійснювати гіперзвуковий політ в земній атмосфері, що і є головною його «родзинкою». Гіперзвуковий літак-Розгонщика (ГСР), також відомий під індексом «50-50» повинен був забезпечувати підйом на висоту близько 30 кілометрів і попередній розгін орбітального літака з його прискорювачем. Конструктивно «50-50» являв собою бесхвостка довжиною 38 метрів з трикутним крилом змінної стріловидності розмахом 16,5 м і шайбами кілів на кінцях консолей. Для правильного обтікання крило мало розвинені напливи, які доходили до самого носа фюзеляжу і мали стріловидність порядку 80 °. Приблизно на двох третинах від довжини літака цей параметр різко змінювався і далі передня кромка крила мала стріловидніость в 60 °. Загострений в носовій частині фюзеляж поступово розширювався і в хвостовій частині являв собою конструкцію з перетином, близьким до прямокутного. У хвостовій частині фюзеляжу планувалося розмістити блок з чотирьох двигунів, повітрозабірники яких розташовувалися на нижній поверхні несучого фюзеляжу, трохи позаду точки зміни стріловидності.

Особливої уваги стоять двигуни ГСР. Для оснащення літака конструкторському бюро А.М. Люльки була замовлена розробка нових турбореактивних двигунів, що працюють на рідкому водні. Таке паливо було обрано по причині можливості додаткового охолодження лопаток двигуна. Завдяки такій особливості, ТРД традиційної схеми міг працювати на великих швидкостях і видавати велику потужність без ризику пошкодити конструкцію. Крім того, для оптимізації швидкості повітря на вході в забірний пристрій нижня поверхня фюзеляжу була спеціальним чином спрофільовані. У результаті всіх цих заходів перспективні двигуни повинні були видавати по 17,5-18 тонн тяги кожен і забезпечувати комплексу «Спіраль» в зборі швидкість польоту порядку 6М.

На жаль, створення нових водневих двигунів сильно затягнулося. У підсумку на певному етапі програми «Спіраль» почалося створення гасового ТРД з прийнятними параметрами тяги і витрати палива. Однак у «гасової» конфігурації літак «50-50» вже не міг би розганятися до швидкості, яка в шість разів перевищує швидкість звуку. Без використання водневого палива його швидкість падала майже в півтора рази. Варто відзначити, за розрахунками конструкторів, що були на той час матеріали і технології могли забезпечити політ на обох швидкостях, тому основною проблемою у створенні повноцінного гіперзвукового літака залишалися саме двигуни.

Будівництво прототипу ГСР спочатку планувалося на початок сімдесятих. Однак низка невирішених проблем технологічного та конструкційного характеру спочатку призвів до перегляду термінів, а потім і до закриття проекту. До кінця сімдесятих тривали роботи з різним елементам проекту «Спіраль». В першу чергу особливої уваги удостоївся сам орбітальний літак, для відпрацювання технологій і конструкції якого було створено і випробувано кілька експериментальних апаратів. Тим не менш, проблеми з гіперзвуковим літаком-Розгонщиком, а потім і зміна пріоритетів у розвитку багаторазових космічних систем привело до закриття всієї програми.

Час успіхів

Схоже, всі зусилля, вкладені наддержавами в проекти гіперзвукових літальних апаратів, з часом почали приносити перші плоди. Так, у вісімдесятих роках КБ «Факел» і ЦІАМ спільно працювали над прямоточним реактивним двигуном для перспективних гіперзвукових літальних апаратів. Повноцінні випробування такого двигуна на землі були просто неможливі, тому довелося створювати літаючу лабораторію «Холод». Основою цієї системи стали зенітні ракети 5В28, взяті з ЗРК С-200В та підходили по швидкості польоту. При виготовленні літаючої лабораторії з вихідною ракети демонтувати бойова частина, а на її місце встановлювався блок системи «Холод». Крім того, до складу комплексу довелося включити спеціально розроблену машину-паливозаправник, призначену для роботи з рідким воднем.

До складу блоку входив паливний бак для рідкого водню, паливопроводи, система управління і гіперзвуковий прямоточний двигун Е-57. Через особливості конструкції цей двигун міг працювати тільки на висотах не менше 15 кілометрів і на швидкостях в межах М = 3,5-6,5. Модуль «Холод» ніс у собі порівняно невелику кількість палива, розраховане на 60-80 секунд польоту, залежно від режиму. Всі випробувальні польоти «Холода» проходили по одній і тій же схемі: вироблявся запуск ракети, яка розганяла модуль до швидкості включення прямоточного двигуна, після чого, залежно від програми польоту, походив його запуск. З 1991 по 1999 рік було проведено в цілому сім пробних польотів, в трьох з яких прямоточний двигун працював відповідно до закладеної програми. Максимальна тривалість польоту з включеним двигуном склала 77 секунд, причому після аналізу даних телеметрії стало ясно, що двигун зберігав працездатність і після вироблення всього запасу палива.

Ще одним, можливо, успішним вітчизняним проектом стала тема Гела (Гіперзвуковий експериментальний літальний апарат) або Х-90. Відомо, що цей проект створювався в МКБ «Веселка» в кінці вісімдесятих і після неодноразово демонструвався на різних авіаційних виставках. При цьому є дані про припинення робіт за проектом ще в 1992 році, тобто до першого показу широкій публіці. Апарат Гела являв собою крилату ракету з розкладним трикутним крилом і фюзеляжем, майже повністю відданим під прямоточний двигун. Мабуть, для забезпечення необхідного течії повітря на вході в повітрозабірник ракету оснастили специфічним клиновидним носовим обтічником. При стартовій масі близько 15 тонн ракета Х-90, ймовірно, могла б розганятися до швидкості не менше М = 4,5. До цих пір немає жодних достовірних відомостей про результати проекту Гела. Згідно з деякими джерелами, досвідчена крилата ракета ще наприкінці вісімдесятих вперше була скинута з літака, а трохи пізніше зробила свій перший гіперзвукової політ. Тим не менш, поки немає перевіреного і гідного уваги підтвердження цьому.

За кордоном створення нових гіперзвукових літальних апаратів йшло приблизно з тим же темпом, що і в СРСР, причому особливих успіхів до певного часу не було. «Переломним» став проект Boeing X-43. Зовні цей літальний апарат в деякому роді нагадував російський Гела. Через використання прямоточного повітряно-реактивного двигуна знову знадобилося застосувати носовий обтічник, оптимізуючий потік перед повітрозабірником. У хвостовій частині X-43 мав два невеликих крила-стабілізатора і два кілі. У червні 2001 року цей гіперзвукової безпілотник здійснив свій перший політ, який опинився невдалим. Через проблеми з системою управління апарат був знищений по команді з землі. Другий політ пройшов штатно, а в третьому, в листопаді 2004-го року, безпілотник встановив рекорд, розігнавшись до швидкості близько 11200 кілометрів на годину — близько М = 9,5-9,6.

Boeing X-43

Boeing X-51

Розвитком проекту X-43 стала ракета X-51. Вона створюється з доробком на майбутнє і в перспективі повинна стати одним з основних озброєнь американської стратегічної авіації. Ця крилата ракета повторює частину елементів вигляду попередніх гіперзвукових літальних апаратів, однак має менш широкий фюзеляж. За офіційними даними, ракета X-51 повинна мати можливість польоту зі швидкістю порядку М = 6-7. Такі швидкості потрібні для можливого використання в системі т.зв. Швидкого глобального удару. В кінці травня 2010 року X-51 вперше вирушила в політ. Майже вся програма польоту була виконана успішно, проте в кінці випробувачам довелося віддати команду на самознищення через неполадки в деяких системах ракети. Другий і третій запуски — навесні 2011-го і влітку 2012-го — взагалі не увінчалися успіхом. Прямо зараз, на початку 2013 року, співробітники Boeing готують четвертий випробувальний пуск, який стане вирішальним у подальшій долі програми. Якщо ракета виконає, як мінімум, частина запланованої програми, то роботи продовжаться. У разі невдалого запуску проект, ймовірно, закриють.

Секрет їх невдачі

Як бачимо, після легендарного X-15 кількість успішних проектів гіперзвукових літальних апаратів можна перерахувати по пальцях однієї руки. При цьому з часу суборбітальних польотів американського ракетоплана пройшло вже півстоліття. Спробуємо розібратися з наявними проблемами і їх причинами.

Насамперед необхідно згадати питання вартості. Досягнення нових вершин, якими в даному випадку є гіперзвукові швидкості, завжди вимагає вкладень сил часу і — головне — грошей. Саме в фінансування в підсумку впираються всі передові розробки, в тому числі і в гіперзвукової галузі. Крім того, з фінансуванням прямо пов’язані майже всі інші проблеми розвитку подібної техніки.

Друге питання, мабуть, самий об’ємний і складний. Це — технології. Головною проблемою при створенні ракетоплана X-15 і всіх наступних гіперзвукових апаратів було створення і освоєння виробництва нових термостійких сплавів. Наприклад, деякі ділянки зовнішньої поверхні X-15 під час етапів прогрівалися до 600-650 градусів. Відповідно, літаюча з ще більшими швидкостями ракета X-51 повинна мати більш стійкі до нагрівання елементи конструкції. На прикладі проекту «50-50» також можна побачити складність створення силової установки для гіперзвукового літака. Спочатку передбачалося оснастити цей літак ТРД на водневому паливі, але складність створення такого двигуна, тим більше призначеного для роботи на гіперзвукових швидкостях, в підсумку змусила відмовитися від нього і повернутися до звичної «гасової» системі. Після такого переходу максимальна швидкість ГСР значно впала, що відповідним чином повинно було позначитися на всіх характеристиках комплексу «Спіраль».Окремо від технологій у цілому варто зупинитися на електроніці. Цілком очевидно, що людська реакція попросту недостатня для ефективного управління гіперзвуковим літальним апаратом, що летять на крейсерській швидкості. Тому велика частина завдань, наприклад, стабілізація в польоті, повинна бути покладена на автоматику, яка зможе одночасно аналізувати масу параметрів і видавати команди системі управління. Необхідно відзначити, що в нинішній ситуації з бурхливим розвитком цифрових технологій подібна система автоматичного керування літальним апаратом вже не являє собою надскладне завдання. Крім того, в майбутньому можливе створення повністю автономних систем, які зможуть не тільки виконувати поставлене заздалегідь задачу, але й адаптувати свої дії під поточну обстановку.

Прямим наслідком створення таких систем може стати виведення з комплексу самої крихкою і ненадійною її частини — людини. У той же час, появи повністю автономних систем чекають не тільки вчені, які займаються створенням гіперзвукових літальних апаратів. Штучний інтелект вже не перше десятиліття є мрією багатьох людей, але поки окремі зрушення в цій області не дозволяють сподіватися на якнайшвидше створення повністю автономного комп’ютера, здатного замінити людину. Що стосується управління з віддаленого пульта, то такий спосіб прибрати людину з борту апарату виглядає не надто реалістичним. При польоті на гіперзвукових швидкостях повітря навколо апарата може розігріватися до стану плазми і екранувати всі радіосигнали. Таким чином, безпілотник на крейсерському режимі не зможе отримувати команди оператора або відправляти йому якусь інформацію. У результаті управління можливо тільки двома способами: людина на борту або повністю автономна система, можливості якої повністю відповідають пропонованим завданням. Чи потрібно говорити, що в даний час найбільшим потенціалом по адаптації до обстановки володіє людина і електроніка поки не може змагатися з ним на рівних?Нарешті, інфраструктура. Літальний апарат проекту X-20 вимагав створення спеціального космодрому, з якого він міг би злітати за допомогою ракети-носія. Звичайно, для нього можна було б виділити окрему стартовий майданчик, але можливе військове застосування мало б абсолютно непотрібна вид. По-перше, для забезпечення належного рівня захисту від космічних апаратів супротивника треба було б тримати на чергуванні кілька Dyno-Soar одночасно. Це досить дорого і небезпечно через те, що заправлені ракети-носії будуть стояти на стартовому майданчику, відкриті всім вітрам і іншим неприємним метеорологічним явищам. По-друге, щоб не завдавати шкоди іншим космічним програмам, не вийде просто виділити одну-дві стартові майданчики з існуючих. Доведеться будувати нові споруди, досить вразливі для ударних засобів противника. Нарешті, в ряді випадків, наприклад при протиракетної оборони, «космічні винищувачі» можуть не встигнути вийти на рубіж перехоплення і пропустити кілька бойових блоків ворожих ракет. До цих всіх проблем також варто додати дорожнечу самої програми, будівництва апаратів та інфраструктури для них, а також високу вартість постійного чергування.

Радянський розгінний літак «50-50» в цьому плані був би трохи більш зручним. При використанні гасу він не вимагав би якогось особливого паливного обладнання аеродрому. Однак водневий варіант літака-Розгонщика вже не зміг би функціонувати без наявності на аеродромі відповідної заправної техніки, паливного комплексу і т.п. систем, призначених для роботи зі зрідженим воднем. Проекти на зразок американських X-43 і X-51, наскільки відомо, менш вимогливі до спеціального обладнання. У всякому разі, поки вони були на стадіях випробувань, аеродроми, на яких проводилася підготовка до пробних пусків, серйозно не модернізувалися. У той же час, реальне використання серійної ракети на базі X-51 може вимагати певних змін в інфраструктурі військових баз, але поки не можна сказати, якими вони будуть.

Загалом, швидкому розвитку гіперзвукових літальних апаратів заважають об’єктивні причини. Прогрес, складний сам по собі, ускладнюється низкою характерних для цього виду техніки проблем. Тому в найближчі роки точно не варто чекати появи гіперзвукового літального апарату, повністю придатного до практичного застосування. Останнім часом ходять чутки, що в середині поточного 2013 російські військові та інженери почнуть випробування якогось нового літального апарата, здатного переміщатися з гіперзвуковими швидкостями. Які-небудь докладні відомості про цей проект, так само як і сам факт його існування, поки офіційно не оголошували. Якщо ж ці чутки відповідають дійсності, то все одно протягом декількох наступних років проект буде суто науковим і експериментальним. Поява перших серійних гіперзвукових літальних апаратів, що мають практично застосовні можливості, варто віднести до періоду після 2020 року або навіть пізніше.

admin

Leave a Reply

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *