«Гиперзвук»: чудо оружие или маркетинговый развод? Интереснейшее интервью годичной давности о гиперзвуке

25.09.2019

Материал из Википедии - свободной энциклопедии

Ги́перзвуковая ско́рость (ГС) в аэродинамике - скорости, которые значительно превосходят скорость звука в атмосфере .

Начиная с 1970-х годов, понятие обычно относят к сверхзвуковым скоростям выше 5 чисел Маха (М).

Общие сведения

Полет на гиперзвуковой скорости является частью сверхзвукового режима полета и осуществляется в сверхзвуковом потоке газа. Сверхзвуковой поток воздуха коренным образом отличается от дозвукового и динамика полета самолета при скоростях выше скорости звука (выше 1,2 М) кардинально отличается от дозвукового полета (до 0,75 М, диапазон скоростей от 0,75 до 1,2 М называется трансзвуковой скоростью).

Определение нижней границы гиперзвуковой скорости обычно связано с началом процессов ионизации и диссоциации молекул в пограничном слое (ПС) около аппарата, который движется в атмосфере, что начинает происходить примерно при 5 М. Также данная скорость характеризуется тем, что прямоточный воздушно-реактивный двигатель («ПВРД ») с дозвуковым сгоранием топлива («СПВРД ») становится бесполезным из-за чрезвычайно высокого трения, которое возникает при торможении проходящего воздуха в двигателе этого типа. Таким образом, в гиперзвуковом диапазоне скоростей для продолжения полета возможно использование только ракетного двигателя или гиперзвукового ПВРД (ГПВРД) со сверхзвуковым сгоранием топлива.

Характеристики потока

В то время как определение гиперзвукового потока (ГП) достаточно спорно по причине отсутствия четкой границы между сверхзвуковым и гиперзвуковым потоками, ГП может характеризоваться определенными физическими явлениями, которые уже не могут быть проигнорированы при рассмотрении, а именно:

Тонкий слой ударной волны

По мере увеличения скорости и соответствующих чисел Маха, плотность позади ударной волны (УВ) также увеличивается, что соответствует уменьшению объема сзади от УВ благодаря сохранению массы. Поэтому, слой ударной волны, то есть объем между аппаратом и УВ становится тонким при высоких числах Маха, создавая тонкий пограничный слой (ПС) вокруг аппарата.

Образование вязких ударных слоев

Часть большой кинетической энергии, заключенной в воздушном потоке, при М > 3 (вязкое течение) преобразуется во внутреннюю энергию за счет вязкого взаимодействия. Увеличение внутренней энергии реализуется в росте температуры . Так как градиент давления, направленный по нормали к потоку в пределах пограничного слоя, приблизительно равен нулю, существенное увеличение температуры при больших числах Маха приводит к уменьшению плотности. Таким образом, ПС на поверхности аппарата растет и при больших числах Маха сливается с тонким слоем ударной волны вблизи носовой части, образуя вязкий ударный слой .

Появление волн неустойчивости в ПС, не свойственных до- и сверхзвуковым потокам

Высокотемпературный поток

Высокоскоростной поток в лобовой точке аппарата (точке или области торможения) вызывает нагревание газа до очень высоких температур (до нескольких тысяч градусов). Высокие температуры, в свою очередь, создают неравновесные химические свойства потока, которые заключаются в диссоциации и рекомбинации молекул газа, ионизации атомов, химическим реакциям в потоке и с поверхностью аппарата. В этих условиях могут быть существенны процессы конвекции и радиационного теплообмена .

Параметры подобия

Параметры газовых потоков принято описывать набором критериев подобия , которые позволяют свести практически бесконечное число физических состояний в группы подобия и которые позволяют сравнивать газовые потоки с разными физическими параметрами (давление, температура, скорость и пр.) между собой. Именно на этом принципе основано проведение экспериментов в аэродинамических трубах и перенос результатов этих экспериментов на реальные летательные аппараты, несмотря на то, что в трубных экспериментах размер моделей, скорости потока, тепловые нагрузки и пр. могут сильно отличаться от режимов реального полёта, в то же время, параметры подобия (числа Маха, Рейнольдса, Стантона и пр.) соответствуют полётным.

Для транс- и сверхзвукового или сжимаемого потока, в большинстве случаев таких параметров как число Маха (отношение скорости потока к местной скорости звука) и Рейнольдса достаточно для полного описания потоков. Для гиперзвукового потока данных параметров часто бывает недостаточно. Во-первых, описывающие форму ударной волны уравнения становятся практически независимыми на скоростях от 10 М. Во-вторых, увеличенная температура гиперзвукового потока означает, что эффекты, относящиеся к неидеальным газам становятся заметными.

Учет эффектов в реальном газе означает бо́льшее количество переменных, которые требуются для полного описания состояния газа. Если стационарный газ полностью описывается тремя величинами: давлением , температурой, теплоёмкостью (адиабатическим индексом), а движущийся газ описывается четырьмя переменными, которая включает еще скорость , то горячий газ в химическом равновесии также требует уравнений состояния для составляющих его химических компонентов, а газ с процессами диссоциации и ионизации должен еще включать в себя время как одну из переменных своего состояния. В целом это означает, что в любое выбранное время для неравновесного потока требуется от 10 до 100 переменных для описания состояния газа. Вдобавок, разреженный гиперзвуковой поток (ГП), обычно описываемый в терминах чисел Кнудсена , не подчиняются уравнениям Навье-Стокса и требуют их модификации. ГП обычно категоризируется (или классифицируется) с использованием общей энергии, выраженной с использованием общей энтальпии (мДж /кг), полного давления (кПа) и температуры торможения потока (К) или скорости (км/с).

Идеальный газ

В данном случае, проходящий воздушный поток может рассматриваться как поток идеального газа. ГП в данном режиме все еще зависит от чисел Маха и моделирование руководствуется температурными инвариантами , а не адиабатической стенкой , что имеет место при ме́ньших скоростях. Нижняя граница этой области соответствует скоростям около 5 М, где СПВРД с дозвуковым сгоранием становятся неэффективными, и верхняя граница соответствует скоростям в районе 10-12 М.

Идеальный газ с двумя температурами

Является частью случая режима потока идеального газа с большими значениями скорости, в котором проходящий воздушный поток может рассматриваться химически идеальным, но вибрационная температура и вращательная температура газа должны рассматриваться отдельно, что приводит к двум отдельным температурным моделям. Это имеет особое значение при проектировании сверхзвуковых сопел , где вибрационное охлаждение из-за возбуждения молекул становится важным.

Диссоциированный газ

Режим доминирования лучевого переноса

На скоростях выше 12 км/с передача тепла аппарату начинает происходить в основном через лучевой перенос, который начинает доминировать над термодинамическим переносом вместе с ростом скорости. Моделирование газа в данном случае подразделяется на два случая:

оптически тонкий - в данном случае предполагается, что газ не перепоглощает излучение, которое приходит от других его частей или выбранных единиц объема;
оптически толстый - где учитывается поглощение излучения плазмой, которое потом переизлучается в том числе и на тело аппарата.

Моделирование оптически толстых газов является сложной задачей, так как из-за вычисления радиационного переноса в каждой точке потока объем вычислений растет экспоненциально вместе с ростом количества рассматриваемых точек.

См. также

Напишите отзыв о статье "Гиперзвуковая скорость"

Примечания

Ссылки

Anderson John. Hypersonic and High-Temperature Gas Dynamics Second Edition. - AIAA Education Series, 2006. - ISBN 1563477807 .
(англ.) .
(англ.) .
(англ.) .

Отрывок, характеризующий Гиперзвуковая скорость

– Нет, вели закладывать.
«Неужели же он уедет и оставит меня одного, не договорив всего и не обещав мне помощи?», думал Пьер, вставая и опустив голову, изредка взглядывая на масона, и начиная ходить по комнате. «Да, я не думал этого, но я вел презренную, развратную жизнь, но я не любил ее, и не хотел этого, думал Пьер, – а этот человек знает истину, и ежели бы он захотел, он мог бы открыть мне её». Пьер хотел и не смел сказать этого масону. Проезжающий, привычными, старческими руками уложив свои вещи, застегивал свой тулупчик. Окончив эти дела, он обратился к Безухому и равнодушно, учтивым тоном, сказал ему:
– Вы куда теперь изволите ехать, государь мой?
– Я?… Я в Петербург, – отвечал Пьер детским, нерешительным голосом. – Я благодарю вас. Я во всем согласен с вами. Но вы не думайте, чтобы я был так дурен. Я всей душой желал быть тем, чем вы хотели бы, чтобы я был; но я ни в ком никогда не находил помощи… Впрочем, я сам прежде всего виноват во всем. Помогите мне, научите меня и, может быть, я буду… – Пьер не мог говорить дальше; он засопел носом и отвернулся.
Масон долго молчал, видимо что то обдумывая.
– Помощь дается токмо от Бога, – сказал он, – но ту меру помощи, которую во власти подать наш орден, он подаст вам, государь мой. Вы едете в Петербург, передайте это графу Вилларскому (он достал бумажник и на сложенном вчетверо большом листе бумаги написал несколько слов). Один совет позвольте подать вам. Приехав в столицу, посвятите первое время уединению, обсуждению самого себя, и не вступайте на прежние пути жизни. Затем желаю вам счастливого пути, государь мой, – сказал он, заметив, что слуга его вошел в комнату, – и успеха…
Проезжающий был Осип Алексеевич Баздеев, как узнал Пьер по книге смотрителя. Баздеев был одним из известнейших масонов и мартинистов еще Новиковского времени. Долго после его отъезда Пьер, не ложась спать и не спрашивая лошадей, ходил по станционной комнате, обдумывая свое порочное прошедшее и с восторгом обновления представляя себе свое блаженное, безупречное и добродетельное будущее, которое казалось ему так легко. Он был, как ему казалось, порочным только потому, что он как то случайно запамятовал, как хорошо быть добродетельным. В душе его не оставалось ни следа прежних сомнений. Он твердо верил в возможность братства людей, соединенных с целью поддерживать друг друга на пути добродетели, и таким представлялось ему масонство.

Приехав в Петербург, Пьер никого не известил о своем приезде, никуда не выезжал, и стал целые дни проводить за чтением Фомы Кемпийского, книги, которая неизвестно кем была доставлена ему. Одно и всё одно понимал Пьер, читая эту книгу; он понимал неизведанное еще им наслаждение верить в возможность достижения совершенства и в возможность братской и деятельной любви между людьми, открытую ему Осипом Алексеевичем. Через неделю после его приезда молодой польский граф Вилларский, которого Пьер поверхностно знал по петербургскому свету, вошел вечером в его комнату с тем официальным и торжественным видом, с которым входил к нему секундант Долохова и, затворив за собой дверь и убедившись, что в комнате никого кроме Пьера не было, обратился к нему:
– Я приехал к вам с поручением и предложением, граф, – сказал он ему, не садясь. – Особа, очень высоко поставленная в нашем братстве, ходатайствовала о том, чтобы вы были приняты в братство ранее срока, и предложила мне быть вашим поручителем. Я за священный долг почитаю исполнение воли этого лица. Желаете ли вы вступить за моим поручительством в братство свободных каменьщиков?
Холодный и строгий тон человека, которого Пьер видел почти всегда на балах с любезною улыбкою, в обществе самых блестящих женщин, поразил Пьера.
– Да, я желаю, – сказал Пьер.
Вилларский наклонил голову. – Еще один вопрос, граф, сказал он, на который я вас не как будущего масона, но как честного человека (galant homme) прошу со всею искренностью отвечать мне: отреклись ли вы от своих прежних убеждений, верите ли вы в Бога?
Пьер задумался. – Да… да, я верю в Бога, – сказал он.
– В таком случае… – начал Вилларский, но Пьер перебил его. – Да, я верю в Бога, – сказал он еще раз.
– В таком случае мы можем ехать, – сказал Вилларский. – Карета моя к вашим услугам.
Всю дорогу Вилларский молчал. На вопросы Пьера, что ему нужно делать и как отвечать, Вилларский сказал только, что братья, более его достойные, испытают его, и что Пьеру больше ничего не нужно, как говорить правду.
Въехав в ворота большого дома, где было помещение ложи, и пройдя по темной лестнице, они вошли в освещенную, небольшую прихожую, где без помощи прислуги, сняли шубы. Из передней они прошли в другую комнату. Какой то человек в странном одеянии показался у двери. Вилларский, выйдя к нему навстречу, что то тихо сказал ему по французски и подошел к небольшому шкафу, в котором Пьер заметил невиданные им одеяния. Взяв из шкафа платок, Вилларский наложил его на глаза Пьеру и завязал узлом сзади, больно захватив в узел его волоса. Потом он пригнул его к себе, поцеловал и, взяв за руку, повел куда то. Пьеру было больно от притянутых узлом волос, он морщился от боли и улыбался от стыда чего то. Огромная фигура его с опущенными руками, с сморщенной и улыбающейся физиономией, неверными робкими шагами подвигалась за Вилларским.
Проведя его шагов десять, Вилларский остановился.
– Что бы ни случилось с вами, – сказал он, – вы должны с мужеством переносить всё, ежели вы твердо решились вступить в наше братство. (Пьер утвердительно отвечал наклонением головы.) Когда вы услышите стук в двери, вы развяжете себе глаза, – прибавил Вилларский; – желаю вам мужества и успеха. И, пожав руку Пьеру, Вилларский вышел.
Оставшись один, Пьер продолжал всё так же улыбаться. Раза два он пожимал плечами, подносил руку к платку, как бы желая снять его, и опять опускал ее. Пять минут, которые он пробыл с связанными глазами, показались ему часом. Руки его отекли, ноги подкашивались; ему казалось, что он устал. Он испытывал самые сложные и разнообразные чувства. Ему было и страшно того, что с ним случится, и еще более страшно того, как бы ему не выказать страха. Ему было любопытно узнать, что будет с ним, что откроется ему; но более всего ему было радостно, что наступила минута, когда он наконец вступит на тот путь обновления и деятельно добродетельной жизни, о котором он мечтал со времени своей встречи с Осипом Алексеевичем. В дверь послышались сильные удары. Пьер снял повязку и оглянулся вокруг себя. В комнате было черно – темно: только в одном месте горела лампада, в чем то белом. Пьер подошел ближе и увидал, что лампада стояла на черном столе, на котором лежала одна раскрытая книга. Книга была Евангелие; то белое, в чем горела лампада, был человечий череп с своими дырами и зубами. Прочтя первые слова Евангелия: «Вначале бе слово и слово бе к Богу», Пьер обошел стол и увидал большой, наполненный чем то и открытый ящик. Это был гроб с костями. Его нисколько не удивило то, что он увидал. Надеясь вступить в совершенно новую жизнь, совершенно отличную от прежней, он ожидал всего необыкновенного, еще более необыкновенного чем то, что он видел. Череп, гроб, Евангелие – ему казалось, что он ожидал всего этого, ожидал еще большего. Стараясь вызвать в себе чувство умиленья, он смотрел вокруг себя. – «Бог, смерть, любовь, братство людей», – говорил он себе, связывая с этими словами смутные, но радостные представления чего то. Дверь отворилась, и кто то вошел.
При слабом свете, к которому однако уже успел Пьер приглядеться, вошел невысокий человек. Видимо с света войдя в темноту, человек этот остановился; потом осторожными шагами он подвинулся к столу и положил на него небольшие, закрытые кожаными перчатками, руки.
Невысокий человек этот был одет в белый, кожаный фартук, прикрывавший его грудь и часть ног, на шее было надето что то вроде ожерелья, и из за ожерелья выступал высокий, белый жабо, окаймлявший его продолговатое лицо, освещенное снизу.
– Для чего вы пришли сюда? – спросил вошедший, по шороху, сделанному Пьером, обращаясь в его сторону. – Для чего вы, неверующий в истины света и не видящий света, для чего вы пришли сюда, чего хотите вы от нас? Премудрости, добродетели, просвещения?
В ту минуту как дверь отворилась и вошел неизвестный человек, Пьер испытал чувство страха и благоговения, подобное тому, которое он в детстве испытывал на исповеди: он почувствовал себя с глазу на глаз с совершенно чужим по условиям жизни и с близким, по братству людей, человеком. Пьер с захватывающим дыханье биением сердца подвинулся к ритору (так назывался в масонстве брат, приготовляющий ищущего к вступлению в братство). Пьер, подойдя ближе, узнал в риторе знакомого человека, Смольянинова, но ему оскорбительно было думать, что вошедший был знакомый человек: вошедший был только брат и добродетельный наставник. Пьер долго не мог выговорить слова, так что ритор должен был повторить свой вопрос.
– Да, я… я… хочу обновления, – с трудом выговорил Пьер.
– Хорошо, – сказал Смольянинов, и тотчас же продолжал: – Имеете ли вы понятие о средствах, которыми наш святой орден поможет вам в достижении вашей цели?… – сказал ритор спокойно и быстро.
– Я… надеюсь… руководства… помощи… в обновлении, – сказал Пьер с дрожанием голоса и с затруднением в речи, происходящим и от волнения, и от непривычки говорить по русски об отвлеченных предметах.
– Какое понятие вы имеете о франк масонстве?
– Я подразумеваю, что франк масонство есть fraterienité [братство]; и равенство людей с добродетельными целями, – сказал Пьер, стыдясь по мере того, как он говорил, несоответственности своих слов с торжественностью минуты. Я подразумеваю…
– Хорошо, – сказал ритор поспешно, видимо вполне удовлетворенный этим ответом. – Искали ли вы средств к достижению своей цели в религии?
– Нет, я считал ее несправедливою, и не следовал ей, – сказал Пьер так тихо, что ритор не расслышал его и спросил, что он говорит. – Я был атеистом, – отвечал Пьер.
– Вы ищете истины для того, чтобы следовать в жизни ее законам; следовательно, вы ищете премудрости и добродетели, не так ли? – сказал ритор после минутного молчания.
– Да, да, – подтвердил Пьер.
Ритор прокашлялся, сложил на груди руки в перчатках и начал говорить:
– Теперь я должен открыть вам главную цель нашего ордена, – сказал он, – и ежели цель эта совпадает с вашею, то вы с пользою вступите в наше братство. Первая главнейшая цель и купно основание нашего ордена, на котором он утвержден, и которого никакая сила человеческая не может низвергнуть, есть сохранение и предание потомству некоего важного таинства… от самых древнейших веков и даже от первого человека до нас дошедшего, от которого таинства, может быть, зависит судьба рода человеческого. Но так как сие таинство такого свойства, что никто не может его знать и им пользоваться, если долговременным и прилежным очищением самого себя не приуготовлен, то не всяк может надеяться скоро обрести его. Поэтому мы имеем вторую цель, которая состоит в том, чтобы приуготовлять наших членов, сколько возможно, исправлять их сердце, очищать и просвещать их разум теми средствами, которые нам преданием открыты от мужей, потрудившихся в искании сего таинства, и тем учинять их способными к восприятию оного. Очищая и исправляя наших членов, мы стараемся в третьих исправлять и весь человеческий род, предлагая ему в членах наших пример благочестия и добродетели, и тем стараемся всеми силами противоборствовать злу, царствующему в мире. Подумайте об этом, и я опять приду к вам, – сказал он и вышел из комнаты.

Сначала стоит конечно определиться, гиперзвук это сколько? Принято считать, что гиперзвуковая скорость, это скорость выше 5 М, то есть больше пяти чисел Маха , а если совсем просто, то это скорость в пять раз превышающая скорость звука.

Вам интересно сколько это в километрах в час? От 5380 км/ч до 6120 км/ч в зависимости от параметров среды (для самолета — воздуха), то есть от плотности воздуха которая разная на разных высотах полета. Так что, для простоты восприятия, все таки лучше пользоваться числами Маха. Если скорость воздушного судна превысила значение 5 М — это гиперзвуковая скорость.

Собственно почему именно 5 М? Значение 5 было выбрано потому, что при такой скорости начинают наблюдаться ионизация потока газа и другие физические изменения, что конечно влияет на его свойства. Эти изменения особенно заметны для двигателя, обычные ТРД (турбореактивные двигатели) просто не могут работать на такой скорости, нужен принципиально иной двигатель, ракетный или прямоточный (хотя на самом деле он и не такой уж другой, просто в нем отсутствует компрессор и турбина, а свою функцию он выполняет так же: сжимает воздух на входе, смешивает его с топливом, сжигает в камере сгорания, и получает реактивную струю на выходе).

Фактически, прямоточный двигатель, это труба с камерой сгорания, очень просто и эффективно на большой скорости. Вот только у такого двигателя есть огромный недостаток, ему для работы нужна определенная начальная скорость (своего компрессора то нет, нечем сжимать воздух на малой скорости).

История скорости

В 50-е годы шла борьба за достижения скорости звука. Когда инженеры и ученые поняли, как ведет себя самолет при скорости выше скорости звука и научились создавать летательные аппараты предназначенные для таких полетов, пришло время идти дальше. Заставить самолеты летать еще быстрее.

В 1967 году американский экспериментальный летательный аппарат X-15 достиг скорости 6,72 М (7274 км/ч). Он был оснащен ракетным двигателем и летал на высотах от 81 до 107 км (100 км, это линия Кармана, условная граница атмосферы и космоса). Поэтому, правильнее называть X-15 не самолетом, а ракетопланом. Взлететь самостоятельно он не мог, ему требовался самолет-разгонщик. Но все таки, это был гиперзвуковой полет. Причем, летали X-15 с 1962 по 1968 годы, а 7 полетов на X-15 совершил тот самый Нил Армстронг.

Стоит понимать, что полеты вне атмосферы, какими бы быстрыми они не были не корректно считать гиперзвуковыми, ведь плотность среды в которой движется летательный аппарат очень мала. Эффектов присущих сверхзвуковому или гиперзвуковому полету просто не будет.

В 1965 году YF-12 (прототип знаменитого SR-71) достиг скорости 3,331,5 км/ч, а в 1976 уже сам серийный SR-71 — 3,529,6 км/ч. Это "всего лишь" 3,2-3,3 М. Далеко не гиперзвук, но уже для полетов на этой скорости в атмосфере пришлось разрабатывать специальные двигатели, которые на малых скоростях работали в обычном режиме, а на высоких в режиме прямоточного двигателя, а для пилотов — специальные системы жизнеобеспечения (скафандры и системы охлаждения), так как самолет нагревался слишком сильно. Позднее, эти скафандры использовались для проекта Шаттл. Очень долгое время SR-71 являлся самым скоростным самолетом в мире (летать он перестал в 1999 году).

Советский Миг-25Р теоретически мог достичь скорости в 3,2 М, но эксплуатационная скорость ограничивалась значением 2,83 М.

В те же 60-е в США и СССР существовали проекты космических проектов X-20 «Dyna Soar» и "Спираль" соответственно. Для Спирали изначально предполагалось использование гиперзвукового самолета-разгонщика, потом сверхзвукового, а потом проект вообще закрыли. Та же судьба постигла и американский проект.

Вообще проекты именно гиперзвуковых летательных аппаратов того времени были связны с полетами вне атмосферы. Иначе и быть не может, на "малых" высотах слишком высока плотность и соответственно сопротивление, что приводит ко многим негативным факторам, которые в то время преодолеть не смогли.

Настоящее время

За всеми перспективными исследованиями, как обычно стоят военные. В случае с гиперзвуковыми скоростями, это тоже имеет место. Сейчас исследования ведутся в основном в направлении космических аппаратов, гиперзвуковых крылатых ракет и так называемых гиперзвуковых боевых блоках. Теперь уже речь идет о "настоящем" гиперзвуке, полетах в атмосфере.

Обратите внимание, работы по гиперзвуковым скоростям были в активной фазе в 60-70 годах, потом все проекты были закрыты. Вернулись к скоростям выше 5 М только на рубеже 2000-х годов. Когда технологии позволили создавать эффективные прямоточные двигатели для гиперзвуковых полетов.

В 2001 первый полет совершил беспилотный летательный аппарат с прямоточным двигателем

Boeing X-43. Уже в 2014 он разогнался до скорости в 9,6 М (11 200 км/ч). Хотя проектировался X-43 для скоростей в 7 раз выше скорости звука. При этом рекорд был поставлен не в космосе, а на высоте всего 33 500 метров.

В 2009 году начались испытания прямоточного двигателя для крылатой ракеты компании Boeing X-51A Waverider. В 2013 году аппарат X-51A разогнался до гиперзвуковой скорости — 5,1 М на высоте 21 000 метров.

Аналогичные проекты на разных стадиях осуществляют и другие страны: Германия (SHEFEX), Великобритания (Skylon), Россия («Холод» и «Игла»), Китай (WU-14) и даже Индия (Брамос), Австралия (ScramSpace) и Бразилия (14-X).

Интересный проект летательного аппарата для полета с гиперзвуковой скоростью в атмосфере, американский Falcon HTV-2, считается провальным. Предположительно, Falcon смог разогнаться до огромной для атмосферы скорости — 23 М. Но только предположительно, так как все экспериментальные аппараты просто напросто сгорели.

Все перечисленные летательные аппараты (кроме Skylon) не могут самостоятельно набрать необходимую для работы прямоточного двигателя скорость и используют разные ускорители. Но Skylon пока только проект не сделавший пока ни единого испытательного полета.

Далекое будущее гиперзвука

Существуют и гражданские проекты гиперзвуковых самолетов для перевозки пассажиров. Это европейские SpaceLiner с одним типом двигателя и ZEHST который должен использовать целых 3 типа двигателя на разных режимах полета. Также над своими проектами работают и другие страны.

Такие лайнеры предположительно смогут доставить пассажиров из Лондона в Нью-Йорк всего лишь за час. Полетать на таких самолетах мы сможем не раньше 40-х, 50-х годов 21 века. А пока гиперзвуковые скорости остаются уделом военных либо космических аппаратов.

Гиперзвуковым называют летательный аппарат, способный осуществлять полёт с гиперзвуковой скоростью.

Что такое гиперзвуковая скорость

В аэродинамике часто пользуются величиной, которая показывает отношение скорости движения потока или тела к скорости звука. Это отношение называют числом Маха, по имени австрийского учёного Эрнста Маха, который заложил основы аэродинамики сверхзвуковых скоростей.

где М – число Маха;

u – скорость воздушного потока или тела,

c s – скорость распространения звука.

В атмосфере при обычных условиях скорость звука равна приблизительно 331 м/с. Скорость тела в 1 Мах соответствует скорости звука. Сверхзвуковой называют скорость в диапазоне от 1 до 5 М. Если же она превышает 5 М, то это уже гиперзвуковой диапазон. Это разделение условное, так как чёткой границы между сверхзвуковой и гиперзвуковой скоростью не существует. Так договорились считать в 70-е годы ХХ столетия.

Из истории авиации

"Зильбертфогель"

Впервые создать гиперзвуковой самолёт пытались ещё во время Второй мировой войны в нацистской Германии. Автором этого проекта, который назывался «Зильбертфогель » (серебряная птица) был австрийский учёный Ойген Зенгер. Самолёт имел и другие названия: «Amerika Bomber », «Orbital-Bomber », «Antipodal-Bomber », «Atmosphere Skipper », «Ural-Bomber ». Это был бомбардировщик-ракетоплан, который мог нести до 30 тонн бомб. Он предназначался для бомбардировки США и промышленных районов России. К счастью, в те времена на практике такой самолёт построить было невозможно, и он остался только в чертежах.

North American X-15

В 60-е годы ХХ века в США был создан первый в истории самолёт-ракетоплан Х-15, основной задачей которого было изучение условий полёта на гиперзвуковых скоростях. Этот аппарат смог преодолеть высоту 80 км. Рекордом считался полёт Джо Уокера, выполненный в 1963 г., когда была достигнута высота 107,96 км и скорость 5,58 М.

Х-15 был подвешен под крылом стратегического бомбардировщика «Б-52». На высоте 15 км он отделился от самолёта-носителя. В этот момент включился его собственный жидкостный ракетный двигатель. Он проработал 85 секунд и отключился. К этому времени скорость самолёта достигла 39 м/с. В самой высокой точке траектории (апогее) аппарат был уже за пределами атмосферы и находился в невесомости почти 4 минуты. Пилот провёл запланированные исследования, с помощью газовых рулей направил самолёт в атмосферу и вскоре приземлился. Рекорд высоты, достигнутый Х-15, продержался почти 40 лет, до 2004 г.

X-20 Dyna Soar

С 1957 по 1963 г.г. по заказу военно-воздушных сил США компанией Boeing проводились разработки пилотируемого космического перехватчика-разведчика-бомбардировщика Х-20. Программа называлась X-20 Dyna-Soar . На орбиту на высоту 160 км Х-20 должна была выводить ракета-носитель. Скорость самолёта планировалась немного ниже первой космической, чтобы он не стал спутником Земли. С высоты самолёт должен был «нырять» в атмосферу, снижаясь до 60-70 км, и проводить либо фотографирование, либо бомбометание. Затем снова поднимался, но уже на высоту, меньшую первоначальной, и снова «нырял» ещё ниже. И так до тех пор, пока не приземлялся на аэродроме.

На практике было изготовлено несколько макетов Х-20, подготовлены пилоты-астронавты. Но по ряду причин программу свернули.

Проект «Спираль»

В ответ на программу X-20 Dyna-Soar в 1960-е г.г. в СССР был начат проект «Спираль». Это была принципиально новая система. Предполагалось, что мощный самолёт-разгонщик с воздушно-реактивными двигателями, весом в 52 т и длиной 28 м, разгоняется до скорости 6 М. С его «спины» на высоте 28-30 км стартует пилотируемый орбитальный самолёт весом 10 т и длиной 8 м. Оба самолёта, взлетающие с аэродрома вместе, могли каждый в отдельности осуществлять самостоятельную посадку. Кроме того, самолёт-разгонщик с его гиперзвуковой скоростью планировали использовать ещё и как пассажирский авиалайнер.

Так как для создания такого гиперзвукового самолёта-разгонщика требовались новые технологии, то в проекте предусматривалась возможность использовать не гиперзвуковой, а сверхзвуковой самолёт.

Вся система разрабатывалась в 1966 г. в конструкторском бюро ОКБ-155 А.И. Микояна. Два варианта модели прошли полный цикл аэродинамических исследований в центральном аэродинамическом институте им. профессора Н.Е. Жуковского в 1965 – 1975 г.г. Но создать самолёт всё-таки не получилось. И эта программа, как и американская, была свёрнута.

Гиперзвуковая авиация

К началу 70-х гг. ХХ века полёты на сверхзвуковых скоростях стали обыденным явлением для военных самолётов. Появились и сверхзвуковые пассажирские самолёты. Воздушно-космические самолёты могли проходить плотные слои атмосферы с гиперзвуковыми скоростями.

В СССР работы над гиперзвуковым самолётом начались в ОКБ Туполева в середине 70-х годов. Проводилось исследование и проектирование самолёта, способного развивать скорость до 6 М (ТУ-260) с дальностью полёта до 12 000 км, а также гиперзвукового межконтинентального самолёта ТУ-360. Его дальность полёта должны была достигать 16 000 км. Был даже подготовлен проект пассажирского гиперзвукового самолёта, рассчитанного на полёт на высоте 28-32 км со скоростью 4,5 – 5 М.

Но чтобы самолёты могли летать на сверхзвуковых скоростях, их двигатели должны иметь черты и авиационной, и космической техники. Существующие воздушно-реактивные двигатели (ВРД), использовавшие атмосферный воздух, имели ограничения по температуре и могли использоваться на самолётах, скорости которых не превышали 3 М. А ракетные двигатели должны были нести большой запас топлива на борту и не годились для продолжительных полётов в атмосфере.

Оказалось, что наиболее рациональным для гиперзвукового самолёта является прямоточный воздушно- реактивный двигатель (ПВРД), в котором нет вращающихся частей, в комбинации с турбореактивным двигателем (ТРД) для разгона. Предполагалось, что для полётов с гиперзвуковыми скоростями наиболее подходит ПВРД на жидком водороде. А разгонный двигатель - это ТРД на керосине или жидком водороде.

Впервые прямоточным воздушно - реактивным двигателем был оснащён беспилотный аппарат Х-43А, который, в свою очередь, был установлен на крылатой ракете-носителе «Pegasus».

29 марта 2004 г. в Калифорнии поднялся в воздух бомбардировщик Б-52. Когда он достиг высоты 12 км, с него стартовал Х-43А. На высоте 29 км он отделился от ракеты-носителя. В этот момент запустился его собственный ПВРД. Он проработал всего 10 секунд, но смог развить гиперзвуковую скорость в 7 М.

В данный момент Х-43А является самым быстрым самолётом в мире. Он способен развивать скорость до 11230 км/час и может подниматься на высоту до 50 км. Но это всё-таки беспилотный летательный аппарат. Но недалёк тот час, когда появятся гиперзвуковые самолёты, на которых смогут летать и обычные пассажиры.

В январе произошло знаковое событие: клуб обладателей технологий гиперзвукового пополнился новым членом. Китай 9 января 2015 г. испытал гиперзвуковой глайдер (планер) под названием WU-14. Это управляемый аппарат, который устанавливается на верхушке межконтинентальной баллистической ракеты (МБР). Ракета поднимает глайдер в космос, после чего глайдер пикирует на цель, развивая скорость в тысячи километров час.

По данным Пентагона, китайский гиперзвуковой аппарат WU-14 может устанавливаться на различные китайские баллистические ракеты с дальностью стрельбы от 2 тыс. до 12 тыс. км. В ходе январских тестов WU-14 развил скорость в 10 М - это более 12,3 тыс. км/ч. Современные средства противовоздушной обороны не в состоянии надежно поразить маневрирующую цель, летящую на такой скорости. Таким образом, Китай стал третьей страной, после США и России, обладающей технологией гиперзвуковых носителей ядерного и обычного оружия.

Гиперзвуковой глайдер HTV-2 отделяется от разгонного блока (США)

США и Китай работают над схожими проектами гиперзвуковых глайдеров, которые получают первоначальное ускорение за счет подъема на большую высоту с помощью ракеты-носителя, а затем разгоняются во время управляемого спуска с больших высот. Преимущества подобной системы - большая дальность (вплоть до глобального удара по любой точке поверхности Земли), сравнительно простое устройство глайдера (нет маршевого двигателя), большая масса боевой части и высокая скорость полета (более 10 М).

Россия сосредоточена на разработке ракет с гиперзвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателем (ГПВРД), которые могут запускаться с земли, кораблей или боевых самолетов. Существует российско-индийский проект по разработке подобных систем оружия, так что к 2023 г. Индия также может войти в "гиперзвуковой клуб". Преимущество гиперзвуковых ракет в меньшей стоимости и большей гибкости применения в отличие от глайдеров, запускаемых с помощью МБР.

Экспериментальная гиперзвуковая ракета с ГПВРД X-51A WaveRider (США)

Оба типа гиперзвукового оружия могут нести обычную или ядерную боевую часть (БЧ). Специалисты Австралийского института стратегической политики рассчитали, что кинетическая энергия удара гиперзвуковой боеголовки (без фугасной или ядерной БЧ) с массой 500 кг и скоростью 6 М по причиняемым разрушениям сравнима с подрывом боеголовки обычной дозвуковой ракеты AGM-84 Harpoon, оснащенной БЧ со взрывчаткой массой около 100 кг. Это всего четверть огневой мощи российской противокорабельной ракеты П-270 Москит со взрывчаткой массой 150 кг и скоростью 4 М.

Казалось бы, гиперзвуковое оружие не намного превосходит существующее сверхзвуковое,однако все не так просто. Дело в том, что боеголовки баллистических ракет легко обнаруживаются на большом расстоянии и падают по предсказуемой траектории. И хотя их скорость огромна, современные компьютерные технологии сделали возможным перехват боеголовок на этапе спуска, что с переменным успехом демонстрирует американская система противоракетной обороны.

В то же время гиперзвуковые летательные аппараты заходят на цель по относительно пологой траектории, находятся в воздухе короткое время и могут маневрировать. В большинстве сценариев современные системы ПВО не в состоянии за короткий промежуток времени обнаружить и поразить гиперзвуковую цель.

Гиперзвуковая ракета со скоростью 6 М пролетит расстояние от Лондона до Нью-Йорка всего за 1 час

Современные зенитные ракеты попросту не смогут догнать гиперзвуковую цель, например, ракета зенитного ракетного комплекса С-300 может разгоняться до скорости в 7,5 М, да и то лишь на короткий промежуток времени. Таким образом, цель со скоростью около 10 М для нее в подавляющем большинстве случаев будет "не по зубам". Кроме того, поражающая способность гиперзвукового оружия может быть увеличена благодаря использованию кассетной боевой части: высокоскоростная шрапнель из вольфрамовых"гвоздей" способна вывести из строя промышленный объект, крупный корабль или уничтожить скопление живой силы и бронетехники на большой площади.

Распространение гиперзвукового оружия, способного проходить сквозь любые системы ПВО, ставит новые вопросы обеспечения глобальной безопасности и военного паритета. Если в этой области не будет достигнуто равновесное сдерживание, как в случае с ядерным оружием, гиперзвуковые удары могут превратиться в распространенный инструмент давления, ведь всего несколько гиперзвуковых боеголовок могут разрушить экономику небольшой страны.

По расчетам Пентагона, американская программа быстрого глобального удара с помощью гиперзвукового оружия позволит без радиационного заражения местности в течение часа поразить любую цель в любой точке мира. Даже в случае ядерного конфликта система может частично заменить ядерное оружие,поражая до 30% целей.

Таким образом, члены"гиперзвукового клуба" получат возможность почти гарантированно уничтожать объекты критической инфраструктуры противника, например,электростанции, пункты управления армией, военные базы, крупные города и промышленные объекты. По расчетам экспертов, до появления первых серийных образцов гиперзвукового оружия осталось 10-15 лет, так что пока есть время для разработки политических соглашений, ограничивающих применение подобного оружия в локальных конфликтах. Если такие соглашения не будут достигнуты, существует высокий риск еще более масштабных гуманитарных катастроф, связанных с применением нового оружия.