Удачи и провалы гиперзвуковых летательных аппаратов

Постоянные работы по увеличению скорости летательных аппаратов уже в начале шестидесятых годов прошлого века довели авиацию до гиперзвуковых скоростей. Экспериментальный ракетоплан North American X-15 совершил почти двести полетов, в большей части которых разгонялся до скорости, в пять раз превышающей скорость звука. Подобные скорости сулили летательным аппаратам большие перспективы, в первую очередь боевые. Однако ряд особенностей гиперзвукового полета очень сильно затруднял создание новых ракетопланов или подобных им аппаратов, пригодных для практического использования.

Наиболее ярким примером трудности создания подобных конструкций стали советский и американский проекты «Спираль» и Boeing X-20 Dyna-Soar. В ходе этих проектов обе страны провели массу исследований, построили несколько экспериментальных летательных аппаратов и потратили много сил и времени. Тем не менее, «Спираль» и X-20 так и не полетели. Сложность, дороговизна и не вполне ясные перспективы в итоге привели к закрытию обоих проектов и изменению приоритетов потенциальных заказчиков. Для боле полного понимания той ситуации стоит немного подробнее рассмотреть «Спираль», X-20 и другие проекты более позднего времени.


Американский «истребитель»

В 1957 году США начали программу X-20 Dyna-Soar, целью которой было создание многофункционального пилотируемого орбитального самолета. В зависимости от тактической необходимости аппарат X-20 должен был проводить разведку объектов противника, наносить по ним удары или уничтожать вражеские орбитальные аппараты, в том числе и подобные ему самолеты. Вне зависимости от тактической задачи Dyna-Soar имел большое преимущество перед традиционной авиацией: существующие и перспективные зенитные системы по определению не могли сбить его. Таким образом, противнику оставалось бы только наблюдать за полетом X-20 при помощи радаров и осознавать свою беспомощность.



Уже в начале работ по проекту X-20 сформировалось две методики его возможного применения. Первая, под названием boost-glide (разгон и планирование) подразумевала вывод орбитального самолета на высоту порядка 150-160 километров над землей, после чего он переходил в планирующий полет. Поскольку во время полета по методу boost-glide скорость аппарата не должна была превышать первую космическую, он все время оставался бы на необходимом расстоянии от поверхности планеты, но при этом не рисковал улететь в космос. После вывода на нужную высоту при помощи ракеты-носителя ускорителя аппарат должен был выйти в район цели и совершить снижение до высоты около 50-60 километров. В нижней части траектории Dyna-Soar должен был проводить фотосъемку объектов или сбрасывать боевую нагрузку. Далее, имея высокую скорость самолет возвращался бы на большую высоту, хотя и меньшую в сравнении с начальной. При помощи постоянных «ныряний» в атмосферу X-20, по расчетам специалистов компании Boeing, в течение нескольких часов мог бы совершить виток вокруг Земли и сесть на аэродроме рядом с местом старта. Примечательно, что X-20 в конфигурации для полета boost-glide не планировалось оснащать двигателями. Все маневры аппарат должен был совершать исключительно за счет «обмена» высоты на скорость и обратно.

Второй вариант применения X-20 предназначался для перехвата спутников или других космических аппаратов. В таком случае после вывода на орбиту с аппаратом оставался состыкован специальный разгонный блок, позволявший ему маневрировать. Такая конфигурация давала бы Dyna-Soar возможность находиться на орбите в течение нескольких суток, маневрировать, обнаруживать и уничтожать космические аппараты противника. По окончании дежурства разгонный блок должен был давать тормозной импульс и переводить X-20 на траекторию спуска. Перехватчик на базе X-20 предполагалось оснащать радиолокационной станцией обнаружения объектов противника, а также ракетным вооружением для их уничтожения.

Удачи и провалы гиперзвуковых летательных аппаратов


Изначально в конкурсе на разработку космического аппарата Dyna-Soar претендовало несколько компаний, но в итоге была выбрана фирма Boeing. В ее версии перспективный космоплан выглядел следующим образом. Аппарат длиной почти 11 метров имел треугольное крыло размахом 6,2 м. Крыло большой стреловидности располагалось непосредственно под фюзеляжем и на определенных этапах полета должно было выполнять функцию аэродинамического тормоза. Управление аппаратом во время посадки должно было осуществляться при помощи элевонов на задней кромке крыла и двух килей с рулями направления, расположенных на законцовках консолей. Интересным образом был скомпонован фюзеляж. В передней его части располагались электроника и газодинамические рули. За аппаратурным отсеком располагалась кабина пилота. Один «космолетчик» мог полностью управлять всеми системами орбитального самолета. Органы управления X-20 предлагалось делать по аналогии с обычными самолетами: ручка управления по крену и тангажу, а также педали. Управление разгонным блоков в варианте космического перехватчика планировалось осуществлять при помощи отдельной панели управления. Для спасения пилота предлагалось применять катапультируемое кресло с твердотопливным двигателем. Однако, как ни старались инженеры «Боинга», им так и не удалось обеспечить спасение на высоких скоростях, начиная с М=1,5-2. Сразу за кабиной располагался грузоотсек, в котором можно было разместить вооружение общим весом до тысячи фунтов (около 450 кг). Наконец, кормовая часть фюзеляжа отдавалась под агрегаты стыковки с разгонным блоком или ракетой-носителем.

Ввиду огромных расчетных скоростей – при полетах в атмосфере X-20 должен был разгоняться до 7-7,5 километров в секунду – конструкция планера состояла исключительно из тугоплавких металлов и сплавов. Примечательно, что защита конструкции от перегрева должна была осуществляться исключительно сбросом тепловой энергии в виде излучения. Теплопоглощающие или постепенно сгорающие материалы не предусматривались. Остекление кабины почти на всем протяжении полета закрывалось специальным обтекателем. Таким образом, пилот мог осматривать окружающую обстановку через стекла только во время посадки, когда обтекатель сбрасывался. Для посадки X-20 планировалось оснастить трехстоечным лыжным шасси.



Первый полет аппарата X-20 должен был состояться в 1964 году. Менее чем через год планировалось запустить в космос первый Dyna-Soar с пилотом на борту. Авторы проекта успели построить несколько макетов различных систем, выбрать шесть летчиков-испытателей и начать подготовку к строительству прототипа. Однако после нескольких лет споров американские военные перестали видеть необходимость в аппарате X-20. По их мнению, запуск подобного самолета был слишком сложным и дорогим. Поэтому больший приоритет получил проект орбитальной станции MOL, а затем и Skylab. Программу X-20 закрыли за бесперспективностью. Часть технологий впоследствии была использована при разработке новых многоразовых космических аппаратов.

Советская «Спираль»

Примерно одновременно с закрытием проекта Dyna-Soar на другой стороне планеты только-только начались активные работы по похожему проекту. В то же время, советские конструкторы из ОКБ А.И. Микояна под руководством Г.Е. Лозино-Лозинского избрали немного другой путь доставки боевого орбитального самолета на рабочую высоту. Вместо ракеты-носителя, дорогой в производстве, одноразовой и требующей сравнительно сложные стартовые сооружения, было предложено использовать специальный самолет-разгонщик. Он должен был поднимать орбитальный аппарат на определенную высоту, разгонять его до гиперзвуковой скорости и сбрасывать. Далее орбитальный самолет при помощи дополнительного ракетного ускорителя выводился на рабочую высоту, где мог выполнять свою задачу. Таким образом, из всей системы «Спираль» одноразовым был лишь ускоритель орбитального аппарата. Все остальные элементы комплекса в целости и сохранности возвращались обратно и могли использоваться снова.



Несмотря на то, что главной частью комплекса «Спираль» был орбитальный самолет, наибольший интерес представляет именно самолет-разгонщик. Он должен был совершать гиперзвуковой полет в земной атмосфере, что и является главной его «изюминкой». Гиперзвуковой самолет-разгонщик (ГСР), также известный под индексом «50-50» должен был обеспечивать подъем на высоту около 30 километров и предварительный разгон орбитального самолета с его ускорителем. Конструктивно «50-50» представлял собой бесхвостку длиной 38 метров с треугольным крылом переменной стреловидности размахом 16,5 м и шайбами килей на концах консолей. Для правильного обтекания крыло имело развитые наплывы, доходившие до самого носа фюзеляжа и имевшие стреловидность порядка 80°. Примерно на двух третях от длины самолета этот параметр резко менялся и далее передняя кромка крыла имела стреловидность в 60°. Заостренный в носовой части фюзеляж постепенно расширялся и в хвостовой части представлял собой конструкцию с сечением, близким к прямоугольному. В хвостовой части фюзеляжа планировалось разместить блок из четырех двигателей, воздухозаборники которых располагались на нижней поверхности несущего фюзеляжа, немного позади точки изменения стреловидности.

Особого внимания стоят двигатели ГСР. Для оснащения самолета конструкторскому бюро А.М. Люльки была заказана разработка новых турбореактивных двигателей, работающих на жидком водороде. Такое топливо было выбрано по причине возможности дополнительного охлаждения лопаток двигателя. Благодаря такой особенности, ТРД традиционной схемы мог работать на больших скоростях и выдавать большую мощность без риска повредить конструкцию. Кроме того, для оптимизации скорости воздуха на входе в заборное устройство нижняя поверхность фюзеляжа была специальным образом спрофилирована. В результате всех этих мер перспективные двигатели должны были выдавать по 17,5-18 тонн тяги каждый и обеспечивать комплексу «Спираль» в сборе скорость полета порядка 6М.



К сожалению, создание новых водородных двигателей сильно затянулось. В итоге на определенном этапе программы «Спираль» началось создание керосинового ТРД с приемлемыми параметрами тяги и расхода топлива. Однако в «керосиновой» конфигурации самолет «50-50» уже не мог бы разгоняться до скорости, в шесть раз превышающей скорость звука. Без использования водородного топлива его скорость падала почти в полтора раза. Стоит отметить, по расчетам конструкторов, имевшиеся на то время материалы и технологии могли обеспечить полет на обеих скоростях, поэтому основной проблемой в создании полноценного гиперзвукового самолета оставались именно двигатели.

Строительство прототипа ГСР изначально планировалось на начало семидесятых. Однако ряд нерешенных проблем технологического и конструкционного характера сначала привел к пересмотру сроков, а затем и к закрытию проекта. До конца семидесятых продолжались работы по различным элементам проекта «Спираль». В первую очередь особого внимания удостоился сам орбитальный самолет, для отработки технологий и конструкции которого было создано и испытано несколько экспериментальных аппаратов. Тем не менее, проблемы с гиперзвуковым самолетом-разгонщиком, а затем и изменение приоритетов в развитии многоразовых космических систем привело к закрытию всей программы.

Время успехов

Похоже, все усилия, вложенные сверхдержавами в проекты гиперзвуковых летательных аппаратов, со временем начали приносить первые плоды. Так, в восьмидесятых годах КБ «Факел» и ЦИАМ совместно работали над прямоточным реактивным двигателем для перспективных гиперзвуковых летательных аппаратов. Полноценные испытания такого двигателя на земле были просто невозможны, поэтому пришлось создавать летающую лабораторию «Холод». Основой этой системы стали зенитные ракеты 5В28, взятые с ЗРК С-200В и подходившие по скорости полета. При изготовлении летающей лаборатории с исходной ракеты демонтировалась боевая часть, а на ее место устанавливался блок системы «Холод». Кроме того, в состав комплекса пришлось включить специально разработанную машину-топливозаправщик, предназначенную для работы с жидким водородом.



В состав блока входил топливный бак для жидкого водорода, топливопроводы, система управления и гиперзвуковой прямоточный двигатель Э-57. Из-за особенностей конструкции этот двигатель мог работать только на высотах не менее 15 километров и на скоростях в пределах М=3,5-6,5. Модуль «Холод» нес в себе сравнительно небольшое количество топлива, рассчитанное на 60-80 секунд полета, в зависимости от режима. Все испытательные полеты «Холода» проходили по одной и той же схеме: производился запуск ракеты, которая разгоняла модуль до скорости включения прямоточного двигателя, после чего, в зависимости от программы полета, происходил его запуск. С 1991 по 1999 год было проведено в общей сложности семь пробных полетов, в трех из которых прямоточный двигатель работал в соответствии с заложенной программой. Максимальная продолжительность полета с включенным двигателем составила 77 секунд, причем после анализа данных телеметрии стало ясно, что двигатель сохранял работоспособность и после выработки всего запаса топлива.



Еще одним, возможно, успешным отечественным проектом стала тема ГЭЛА (Гиперзвуковой экспериментальный летательный аппарат) или Х-90. Известно, что этот проект создавался в МКБ «Радуга» в конце восьмидесятых и после неоднократно демонстрировался на различных авиационных выставках. При этом имеются данные о прекращении работ по проекту еще в 1992 году, т.е. до первого показа широкой публике. Аппарат ГЭЛА представлял собой крылатую ракету с раскладным треугольным крылом и фюзеляжем, почти полностью отданным под прямоточный двигатель. По-видимому, для обеспечения требуемого течения воздуха на входе в воздухозаборник ракету оснастили специфическим клиновидным носовым обтекателем. При стартовой массе около 15 тонн ракета Х-90, вероятно, могла бы разгоняться до скорости не менее М=4,5. До сих пор нет никаких достоверных сведений о результатах проекта ГЭЛА. Согласно некоторым источникам, опытная крылатая ракета еще в конце восьмидесятых впервые была сброшена с самолета, а немного позже совершила свой первый гиперзвуковой полет. Тем не менее, пока нет проверенного и достойного внимания подтверждения этому.

За рубежом создание новых гиперзвуковых летательных аппаратов шло примерно с тем же темпом, что и в нашей стране, причем особых успехов до определенного времени не было. «Переломным» стал проект Boeing X-43. Внешне этот летательный аппарат в некотором роде напоминал российский ГЭЛА. По причине использования прямоточного воздушно-реактивного двигателя снова понадобилось применить носовой обтекатель, оптимизирующий поток перед воздухозаборником. В хвостовой части X-43 имел два небольших крыла-стабилизатора и два киля. В июне 2001 году этот гиперзвуковой беспилотник совершил свой первый полет, оказавшийся неудачным. Из-за проблем с системой управления аппарат был уничтожен по команде с земли. Второй полет прошел штатно, а в третьем, в ноябре 2004-го года, беспилотник установил рекорд, разогнавшись до скорости порядка 11200 километров в час – около М=9,5-9,6.

Boeing X-43

Boeing X-51


Развитием проекта X-43 стала ракета X-51. Она создается с заделом на будущее и в перспективе должна стать одним из основных вооружений американской стратегической авиации. Эта крылатая ракета повторяет часть элементов облика предыдущих гиперзвуковых летательных аппаратов, однако имеет менее широкий фюзеляж. По официальным данным, ракета X-51 должна иметь возможность полета со скоростью порядка М=6-7. Такие скорости требуются для возможного использования в системе т.н. быстрого глобального удара. В конце мая 2010 года X-51 впервые отправилась в полет. Почти вся программа полета была выполнена успешно, однако в конце испытателям пришлось отдать команду на самоуничтожение из-за неполадок в некоторых системах ракеты. Второй и третий запуски – весной 2011-го и летом 2012-го – вообще не увенчались успехом. Прямо сейчас, в начале 2013 года, сотрудники Boeing готовят четвертый испытательный пуск, который станет решающим в дальнейшей судьбе программы. Если ракета выполнит, как минимум, часть запланированной программы, то работы продолжатся. В случае неудачного запуска проект, вероятно, закроют.

Секрет их неудачи

Как видим, после легендарного X-15 количество успешных проектов гиперзвуковых летательных аппаратов можно пересчитать по пальцам одной руки. При этом со времени суборбитальных полетов американского ракетоплана прошло уже полвека. Попробуем разобраться с имеющимися проблемами и их причинами.

Прежде всего необходимо вспомнить вопрос стоимости. Достижение новых вершин, которыми в данном случае являются гиперзвуковые скорости, всегда требует вложений сил времени и – главное – денег. Именно в финансирование в итоге упираются все передовые разработки, в том числе и в гиперзвуковой отрасли. Кроме того, с финансированием прямо связаны почти все другие проблемы развития подобной техники.

Второй вопрос, пожалуй, самый объемный и сложный. Это – технологии. Главной проблемой при создании ракетоплана X-15 и всех последующих гиперзвуковых аппаратов было создание и освоение производства новых термостойких сплавов. К примеру, некоторые участки внешней поверхности X-15 во время этапов прогревались до 600-650 градусов. Соответственно, летающая с еще большими скоростями ракета X-51 должна иметь более стойкие к нагреву элементы конструкции. На примере проекта «50-50» также можно увидеть сложность создания силовой установки для гиперзвукового самолета. Первоначально предполагалось оснастить этот самолет ТРД на водородном топливе, но сложность создания такого двигателя, тем более предназначенного для работы на гиперзвуковых скоростях, в итоге заставила отказаться от него и вернуться к привычной «керосиновой» системе. После такого перехода максимальная скорость ГСР значительно упала, что соответствующим образом должно было сказаться на всех характеристиках комплекса «Спираль».

Отдельно от технологий в целом стоит остановиться на электронике. Вполне очевидно, что человеческая реакция попросту недостаточна для эффективного управления гиперзвуковым летательным аппаратом, летящим на крейсерской скорости. Поэтому большая часть задач, например, стабилизация в полете, должна быть возложена на автоматику, которая сможет одновременно анализировать массу параметров и выдавать команды системе управления. Необходимо отметить, что в нынешней ситуации с бурным развитием цифровых технологий подобная система автоматического управления летательным аппаратом уже не представляет собой сверхсложную задачу. Кроме того, в будущем возможно создание полностью автономных систем, которые смогут не только выполнять поставленную заранее задачу, но и адаптировать свои действия под текущую обстановку.

Прямым следствием создания таких систем может стать выведение из комплекса самой хрупкой и ненадежной ее части – человека. В то же время, появления полностью автономных систем ждут не только ученые, занимающиеся созданием гиперзвуковых летательных аппаратов. Искусственный интеллект уже не первое десятилетие является мечтой множества людей, но пока отдельные подвижки в этой области не позволяют надеяться на скорейшее создание полностью автономного компьютера, способного заменить человека. Что касается управления с удаленного пульта, то такой способ убрать человека с борта аппарата выглядит не слишком реалистичным. При полете на гиперзвуковых скоростях воздух вокруг аппарата может разогреваться до состояния плазмы и экранировать все радиосигналы. Таким образом, беспилотник на крейсерском режиме не сможет получать команды оператора или отправлять ему какую-либо информацию. В результате управление возможно только двумя способами: человек на борту или полностью автономная система, возможности которой полностью соответствуют предъявляемым задачам. Нужно ли говорить, что в настоящее время наибольшим потенциалом по адаптации к обстановке обладает человек и электроника пока не может соревноваться с ним на равных?

Наконец, инфраструктура. Летательный аппарат проекта X-20 требовал создания специального космодрома, с которого он мог бы взлетать при помощи ракеты-носителя. Конечно, для него можно было бы выделить отдельную стартовую площадку, но возможное военное применение имело бы совершенно непотребный вид. Во-первых, для обеспечения должного уровня защиты от космических аппаратов противника потребовалось бы держать на дежурстве несколько Dyno-Soar одновременно. Это достаточно дорого и небезопасно из-за того, что заправленные ракеты-носители будут стоять на стартовой площадке, открытые всем ветрам и прочим неприятным метеорологическим явлениям. Во-вторых, дабы не наносить ущерб другим космическим программам, не получится просто выделить одну-две стартовые площадки из существующих. Придется строить новые сооружения, достаточно уязвимые для ударных средств противника. Наконец, в ряде случаев, например при противоракетной обороне, «космические истребители» могут не успеть выйти на рубеж перехвата и пропустить несколько боевых блоков вражеских ракет. К этим всем проблемам также стоит прибавить дороговизну самой программы, строительства аппаратов и инфраструктуры для них, а также высокую стоимость постоянного дежурства.



Советский разгонный самолет «50-50» в этом плане был бы немного более удобным. При использовании керосина он не требовал бы какого-то особого топливного оборудования аэродрома. Однако водородный вариант самолета-разгонщика уже не смог бы функционировать без наличия на аэродроме соответствующей заправочной техники, топливного комплекса и т.п. систем, предназначенных для работы со сжиженным водородом. Проекты наподобие американских X-43 и X-51, насколько известно, менее требовательны к специальному оборудованию. Во всяком случае, пока они были на стадиях испытаний, аэродромы, на которых проводилась подготовка к пробным пускам, серьезно не модернизировались. В то же время, реальное использование серийной ракеты на базе X-51 может потребовать определенных изменений в инфраструктуре военных баз, но пока нельзя сказать, какими они будут.

В общем, быстрому развитию гиперзвуковых летательных аппаратов мешают объективные причины. Прогресс, сложный сам по себе, затрудняется рядом характерных для этого вида техники проблем. Поэтому в ближайшие годы точно не стоит ждать появления гиперзвукового летательного аппарата, полностью пригодного к практическому применению. В последнее время ходят слухи, что в середине текущего 2013 года российские военные и инженеры начнут испытания некоего нового летательного аппарата, способного перемещаться с гиперзвуковыми скоростями. Какие-либо подробные сведения об этом проекте, равно как и сам факт его существования, пока официально не оглашались. Если же эти слухи соответствуют действительности, то все равно в течение нескольких следующих лет проект будет сугубо научным и экспериментальным. Появление первых серийных гиперзвуковых летательных аппаратов, имеющих практически применимые возможности, стоит отнести к периоду после 2020 года или даже позже.


По материалам сайтов:
http://astronautix.com/
http://ntrs.nasa.gov/
http://buran.ru/
http://testpilot.ru/
http://aviationweek.com/
http://globalsecurity.org/
http://airwar.ru/
Автор:
Рябов Кирилл
Ctrl Enter

Заметив ошибку в тексте, выделите текст с ошибкой и нажмите Ctrl+Enter

24 комментария
Информация

Уважаемый читатель, чтобы оставлять комментарии к публикации, необходимо зарегистрироваться.
Уже зарегистрированы? Войти