В военной авиации в последние годы отмечается бурный интерес к гиперзвуковым технологиям
«Я всю свою жизнь занимаюсь тем, что быстро летает», — говорит Адам Диссель, возглавляющий американский отдел британской компании Reaction Engines («Реактивные двигатели»).
Эта компания создает авиационные двигатели, способные развивать головокружительные скорости и работать в таких условиях, когда существующие модели просто расплавились бы.
Задача — достичь гиперзвуковой скорости в 6400 км/ч, или примерно пять Махов [Число Маха — меняющаяся единица, показывающая скорость звука в зависимости от плотности воздуха, в которой находится летящее тело].
Компания планирует построить высокоскоростной пассажирский самолет к 2030 году. «Это необязательно должно быть 5 Махов. Может быть 4,5 Маха, что более достижимо с точки зрения физики», — говорит Диссель.
На таких скоростях можно за четыре часа долететь из Лондона в Сидней и всего за два — из Лос-Анджелеса в Токио.
Однако большая часть подобных разработок делается не для гражданской авиации, а для военной, где в последние годы отмечается бурный интерес к этим технологиям.
«Зоопарк гиперзвуковых систем»
Джеймс Эктон — британский физик, работающий в Фонде Карнеги в Вашингтоне. Изучив, что предпринимают США, Китай и Россия в области гиперзвукового оружия, он пришел к выводу, что там сейчас проектируется целый «зоопарк гиперзвуковых систем».
Созданы специальные материалы, могущие выдержать высочайшие температуры, возникающие при скорости в 5 Махов, и целый ряд других технологий, делающих возможными гиперзвуковые полеты в земной атмосфере.
Эксперименты в области пилотируемых гиперзвуковых полетов начались в Америке еще в 1960-х годах, когда был создан самолет-ракетоплан X-15. Межконтинентальные баллистические ракеты (МБР) также входят в атмосферу на очень высоких гиперзвуковых скоростях.
Теперь конкурирующие державы стремятся создать оружие, которое может на протяжении всего полета оставаться в атмосфере без выхода для охлаждения в открытый космос, и маневрировать, чтобы поражать движущиеся объекты, а не только стационарные, как МБР, нацеленные на города.
«Убийцы авианосцев»
В военных бюджетах трех держав увеличиваются траты на гиперзвуковые технологии.
На пресс-брифинге в Пентагоне 2 марта помощник директора управления минобороны США по научным разработкам Майк Уайт, отвечающий за гиперзвуковые технологии, заявил, что «конкуренты пытаются бросить вызов нашему доминированию в данной сфере».
Главная проблема гиперзвукового оружия — точность.
КНР показал свое гиперзвуковое оружие на параде 2019 года
Сам факт обладания гиперзвуковыми ракетами, заранее прозванными «убийцами авианосцев», способен заставить американские авианосцы держаться в отдалении от побережья Китая.
Однако, чтобы попасть в атомный авианосец, идущий со скоростью 30 узлов (56 км/ч) и выше, требуются очень точные коррекции курса ракеты, чего сложно достичь на скорости в 5 Махов.
Тепло, возникающее на обшивке ракеты из-за трения о воздух, создает вокруг нее как бы футляр из плазмы.
Он может блокировать сигналы от внешних источников, например, спутников связи, и дезориентировать встроенную систему наведения, которая должна обнаружить движущуюся цель.
Нос гиперзвукового самолета должен выносить экстремально высокие температуры
Плазма образуется там, где возникает самая высокая температура.
Конусообразная ракета окуталась бы слоем плазмы по всей своей поверхности, но ракета, имеющая форму дротика с небольшими крылышками, может сместить его подальше от частей, где расположены наиболее чувствительные антенны.
Акулья пасть
Гиперзвуковой полет и без того непрост, но проблему усугубляет химический распад. На крайне высоких скоростях и при огромных температурах молекулы кислорода начинают разлагаться на атомы, и это осложняет химические процессы, на которых основана работа любого потребляющего воздух двигателя.
Тем не менее, прогресс в гонке гиперзвуковых вооружений впечатляет.
Гиперзвуковой X-51A развил скорость в 4,5 Маха
В 2010 году США запустили напоминающий формой акулью пасть беспилотный летательный аппарат, который продержался на гиперзвуковой скорости над Тихим океаном пять минут.
Целью была не столько скорость, сколько время.
Пять минут, возможно, не покажутся чем-то особенным, но в смысле преодоления преград на пути к гиперзвуковым полетам это был триумф.
Аппарат под названием X-51A был сброшен с летевшего на большой высоте бомбардировщика B-52 и с помощью ракетного ускорителя достиг скорости в 4,5 Маха до того, как включился его основной двигатель.
Самолет-ракетоплан X-15, который США разрабатывали в 1960-е
Известный как прямоточный реактивный двигатель, он достигает гиперзвуковых скоростей за счет забора воздуха в топливную форсунку, выглядящую как акулья пасть, где он смешивается с топливом.
Чтобы поток всасываемого воздуха оказался достаточным, предварительная скорость должна быть высока. Температура воздуха, поступающего в форсунку, через несколько минут достигает тысячи градусов.
В 2010-13 годах четыре X-51A перелетели таким образом Тихий океан в одну сторону.
Ударная волна
Над созданием X-51A работала калифорнийская фирма Aerojet Rocketdyne, специализирующаяся на двигателях для космических кораблей. Степень секретности была такова, что даже спустя семь лет после завершения программы сотрудники компании соглашаются говорить с прессой исключительно на условиях анонимности.
«Главная фишка этой машины находилась в ее носовой части, где формируется ударная волна. Главные инвестиции пошли на разработку материалов», — рассказал один из создателей гиперзвукового аппарата.
По его словам, конструкторы многому научились на опыте ракетоплана X-15 1960-х годов и космических «шаттлов».
Reaction Engines создал двигатель, способный поглощать в полете раскаленный воздух
Reaction Engines недавно продемонстрировала гиперзвуковой прямоточный двигатель Sabre («Сабля»). Он способен поглощать в полете раскаленный воздух без перебоев, которые специалисты называют «икотой».
Новый двигатель включает в себя некое устройство для предварительного охлаждения, куда первым делом попадает раскаленный наружный воздух.
Дальнейшая задача заключается в том, чтобы смешать его с топливом для создания тяги.
Горячий, как лава
В октябре 2019 года компания Reaction Engines провела интенсивные стеновые испытания двигателя Sabre на полигоне в штате Колорадо. Имитировались условия гиперзвукового полета.
Поток раскаленного воздуха и сопла обычного сверхзвукового реактивного двигателя, закрепленного на стенде, направлялся в форсунку Sabre.
Устройство для охлаждения справилось с задачей, впрыскивая в систему под большим давлением охлаждающий агент, снижая температуру воздуха и позволяя смешивать его с топливом.
Нужные для этого двигателя материалы необычны.
Будет ли американский президент летать с гиперзвуковой скоростью?
«Шаттлы» защищала от разогрева при вхождении в атмосферу оболочка из композитных плиток. Но после каждого полета они осыпались, что требовало интенсивного и дорогостоящего техобслуживания перед следующим полетом. Для коммерческих летательных аппаратов это не годится.
В качестве альтернативы в двигателе Sabre использован никелевый сплав под названием «инконел», выдерживающий температуру вулканической лавы.
«Это наше решение на данный момент. Мы также работаем над усовершенствованием отводных каналов, поглощающих тепло», — говорит Адам Диссель.
Таким образом, речь идет о сочетании сверхжаростойкого сплава со сложной системой регулировки температуры.
Гиперзвуковой борт № 1
Если это сработает, пассажирские полеты с гиперзвуковой скоростью могут стать реальностью лет через пятнадцать.
Начнется, вероятно, с небольших бизнес-джетов для VIP-персон.
Их потенциал уже оценило подразделение ВВС США, обслуживающее Белый дом. Оно заказало находящемуся в Атланте стартапу Hermeus предварительную оценку возможности создания и основных параметров самолета с вместимостью 20 пассажиров и скоростью 5 Махов.
Возможно, однажды и президент США присоединится к очень привилегированному клубу людей, путешествующих с гиперзвуковой скоростью.