Погоня за гиперзвуком
25 лет со дня первых в мире летных испытаний гиперзвукового двигателя
В истории авиации было два великих кризиса. Первый начался в конце 1930-х годов, когда выяснилось, что самолет с поршневым двигателем и воздушным винтом не способен летать со скоростью более 800 км/ч. Этот кризис был преодолен достаточно быстро, в середине 1940-хгодов, с помощью турбореактивных двигателей (ТРД). Второй кризис начался в середине 1960-хгодов, когда реактивные самолеты уперлись в барьер трех с половиной скоростей звука. Этот кризис, в сущности, продолжается до сих пор.
У барьера
Судите сами, самым быстрым в мире самолетом до сих пор остается созданный в 1964 году в США разведчик ХR-71 Blackbird, максимальная скорость которого составляет 3400 км/ч (М=3,2, где М — число Маха, то есть отношение скорости летательного аппарата к местной скорости звука на высоте полета). В том же 1964-м в небо поднялся до сих пор самый быстрый отечественный самолет — перехватчик МиГ-25 c максимальной скоростью 3000 км/ч (М=2,83). А дальше за полвека развития авиации не было создано ничего, что летало бы быстрее. Даже самые быстрые боевые крылатые ракеты до сих пор летают со скоростями порядка 3000 км/ч. К примеру, сверхзвуковая российская крылатая ракета «Оникс» разгоняется до скорости 2700 км/ч (М=2,6) и считается очень грозным оружием.
Почему же авиация, чей прогресс до определенного времени чуть ли не ежегодно подкреплялся очередными рекордами скорости и высоты, впала в полувековой застой? Абсолютный рекорд скорости с 1976 года принадлежит SR-71 — 3529,56 км/ч (М=3,3). Абсолютный же рекорд высоты установил в 1977 году МиГ-25 —37 650 м. А дальше — как отрезало.
Разумеется, определенную преграду представляет собой так называемый тепловой барьер. У того же МиГ-25 ограничение скорости в 3000 км/ч (М=2,83) было введено именно из-за аэродинамического нагрева. Самолет мог лететь и быстрее. Изучая угнанный в Японию в 1976 году образец МиГ-25, американцы пришли к выводу, что советский перехватчик без вооружения мог разгоняться до 3400 км/ч (М=3,2). Но даже при 3000 км/ч некоторые участки его обшивки разогревались до 300 °С. Известен случай, когда после разведывательного полета над Израилем у самолета не могли открыть фонарь кабины: он приварился. Передние кромки крыльев SR-71 разогревалась более чем до 400 °С.
Однако эти проблемы можно было решить применением теплостойких материалов или выбором большой высоты полета. Многоразовые космические корабли типа американского «Шаттла» и советского «Бурана» входили в атмосферу со скоростью 28 000 км/ч. Маневрирующие боеголовки стратегических межконтинентальных ракет являются, в сущности, гиперзвуковыми планирующими летательными аппаратами. Экспериментальные X-15, созданные в США в 1959 году, разгонялись до скорости 6437 км/ч и поднимались до 107 км. Но Х-15 — это не самолет, а ракетоплан, использующий жидкостные ракетные двигатели (ЖРД) для короткого и мощного разгона. Почему же обычные самолеты не могли летать быстрее и выше?
В чем проблема?
Главным препятствием на пути увеличения скорости летательных аппаратов, использующих для сжигания топлива атмосферный воздух, а не запас окислителя на борту, стало отсутствие авиационного воздушно-реактивного двигателя (ВРД), способного поддерживать крейсерскую гиперзвуковую скорость.
Самым распространенным типом двигателя в авиации является турбореактивный двигатель (ТРД). Но при скоростях свыше М=3 он создает такое сопротивление встречному потоку, что для его преодоления не хватит никакой тяги. Эту проблему отчасти научились решать. Для сжатия воздуха, подаваемого в камеру сгорания ТРД, применяется осевой компрессор, представляющий собой несколько вращающихся колес с профилированными лопатками. Однако с ростом скорости напор воздуха становится таким, что для еще большего его сжатия компрессор становится не нужным. Такие бескомпрессорные двигатели называются прямоточными воздушно-реактивными (ПВРД). Разумеется, в них отсутствует и турбина, используемая для привода компрессора. ПВРД до некоторой степени решает проблему снижения сопротивления на больших скоростях. В тех же SR-71 и МиГ-25 двигатели были устроены так, что на максимальных скоростях превращались, по сути, в ПВРД, поскольку воздух через специальные каналы перепускался для сжигания непосредственно в форсажную камеру сгорания, минуя компрессор и турбину. Другой пример: советская крылатая ракета «Буря», созданная в 1957 году, могла летать с ПВРД на скорости 3500 км/ч (М=3,2) на высоте 17 км в течение нескольких часов. Но 3500 км/ч — это еще не гиперзвук.
Чистым гиперзвуком считается скорость свыше 5 звуковых. И это не некая условная величина, а граница, в районе которой меняются физические свойства воздушного потока: молекулы в пограничном слое возле поверхности летательного аппарата начинают ионизироваться, то есть получают электрический заряд. Из-за этого воздух превращается, по сути, в плазму, а вязкость потока становится настолько большой, что через него не может продраться и ПВРД. Необходим специальный тип двигателя — гиперзвуковой ПВРД (ГПВРД), конструкция которого позволяет сделать его еще более «прозрачным» для встречного потока и тем самым снизить сопротивление.
Для устойчивого горения топлива в камере сгорания обычного ПВРД необходимо предварительно затормозить в воздухозаборнике воздушный поток до дозвуковой скорости. Иначе, очень упрощенно говоря, пламя в камере «задует» или топливо не успеет в нем сгореть. Однако тормозить гиперзвуковой поток до дозвуковых скоростей крайне нежелательно, так как при этом возникают мощные ударные волны — главный источник повышенного сопротивления. Поэтому в ГПВРД канал воздухозаборника проектируется таким образом, чтобы поток не тормозился и оставался в камере сгорания сверхзвуковым. Можно ли организовать горение топлива в таком потоке? На этот вопрос мог ответить только летный эксперимент, поскольку на наземных стендах воспроизвести подобные условия до сих пор не представляется возможным.
От теории к практике
Теоретические исследования возможности создания ГПВРД в СССР начались в 1950-е годы. После многолетних дискуссий, расчетов и наземных экспериментов контуры этого двигателя начали вырисовываться. 6 марта 1979 года Комиссия Президиума Совета Министров СССР по военно-промышленным вопросам утвердила комплексный план научно-исследовательских работ по применению криогенного топлива для авиационных двигателей. Эту программу назвали «Холод».
Именно в ее рамках началась практическая разработка экспериментального ГПВРД Э-57 и гиперзвуковой летающей лаборатории (ГЛЛ) «Холод» для его испытаний. Водород в качестве топлива подходил для ГПВРД наилучшим образом еще и потому, что в жидком состоянии его температура равна —273 °С, всего на 20 °С выше абсолютного нуля, что позволяет особенно эффективно использовать его для охлаждения камеры сгорания, которая на гиперзвуковых скоростях и без всякого горения разогревалась свыше 1000 °С.
Головной организацией по разработкам и испытаниям двигателей на криогенном топливе в программе «Холод» был определен Центральный институт авиационного моторостроения (ЦИАМ) им. П.И. Баранова. Вместе с ним над созданием ГЛЛ «Холод» работали более 20 НИИ, ОКБ, заводов и организаций АН СССР, Минавиапрома, Минобороны и других министерств и ведомств.
ГЛЛ «Холод» — это фактически летающий стенд со всеми необходимыми системами: подачи топлива, управления режимами испытаний, измерения параметров ГПВРД. Поскольку ГПВРД может работать только на скоростях выше 3,5 скорости звука, перед его включением необходимо разогнать лабораторию. Для этой цели решили использовать ракету 5В28 зенитного ракетного комплекса С-200, которая, между прочим, до сих пор остается самой большой зенитной ракетой в мире. Недаром ее называли «царь-ракета».
Благодаря четырем мощным твердотопливным ускорителям и маршевому ЖРД она могла обеспечить необходимые для эксперимента скорости. Немаловажным фактором было и то, что к концу 1980-х годов комплекс С-200 уже снимался с вооружения, поэтому «утилизация» списанной ракеты в виде научного эксперимента не требовала больших расходов, что было очень важно в условиях начавшейся перестройки и экономического спада в стране.
ГПВРД Э-57 состоял из осесимметричного воздухозаборника, центрального тела, в котором монтировалась система подачи топлива, кольцевой камеры сгорания и кольцевого сопла. Этот двигатель был двухрежимным, то есть мог работать и при дозвуковой, и при сверхзвуковой скорости потока в камере сгорания. В камере было расположено 126 форсунок диаметром 1,7 мм для подачи водорода. По пути к форсункам жидкий водород использовался для охлаждения стенок камеры сгорания, температура которых доходила до 1200 °К. Водород при этом нагревался до 1000 °К.
ГПВРД Э-57 размещался в носовой части зенитной ракеты комплекса С-200. Вместо боевого заряда устанавливали бак с жидким водородом объемом 300 л, а также систему управления двигателем и систему телеметрии. Для летных экспериментов выбрали полигон войск ПВО «Сарышаган» в Казахстане, на тот момент единственном в Евразии полигоне, приспособленном для испытаний противоракетного и противоспутникового оружия.
Гиперзвуковой прорыв
На первом этапе было выполнено несколько пусков с габаритно-весовыми макетами ГЛЛ «Холод» для «пристрелки» ракеты. Наконец, 28 ноября 1991 года состоялось событие, которое можно назвать началом гиперзвуковой эры — первый полет с запуском ГПВРД Э-57, который в ходе эксперимента дважды автоматически включался и выключался, проработав в сумме 27,5 с. Несмотря на то что работа Э-57 в ходе первого эксперимента завершилась аварийно из-за прогара камеры сгорания, главная цель была достигнута: на практике подтвердилась возможность организации сверхзвукового горения в ГПВРД. При этом была достигнута скорость 1653 м/с (М=5,6) на высоте 35 км. Никогда прежде летательный аппарат, двигатели которого используют атмосферный воздух, не разгонялся до такой скорости.
ГЛЛ «Холод» в ходе полета не отделялась от ракеты, а летные испытания не предусматривали спасения отработавшего двигателя, однако по результатам траекторных измерений удалось найти упавшую лабораторию за сотни километров от старта. Несмотря на деформации при падении, двигатель остался пригодным для анализа состояния конструкции и впоследствии не раз демонстрировался на различных выставках.
В принципе, в этом эксперименте не ставилась задача получить на двигателе Э-57 реальную тягу. Однако анализ телеметрии в дальнейших экспериментах показал, что ракета комплекса С-200 без включенного ГПВРД не могла улетать так далеко, а это значит, что Э-57 придавал ГЛЛ «Холод» реальное ускорение.
Сообщение о первых летных испытаниях ГПВРД вызвало большой резонанс во всем мире. В частности, «Вашингтон пост» опубликовала на первой полосе большую редакционную статью под заголовком «Мы пока только рассчитываем, а они уже летают». Полет обсуждался даже на заседании конгресса США. Забегая вперед, скажем, что это событие на 11 лет опередило аналогичные испытания за рубежом. Лишь в 2002 году в Австралии был осуществлен полет по программе HyShot, в ходе которого экспериментальный ГПВРД, разработанный в Университете Квинсленда, с помощью ракеты разогнался до скорости М=7,6. Двигатель при этом проработал не больше 10 секунд.
Между тем в связи с распадом СССР для отечественной науки наступили сложные времена, финансирование программы «Холод» было прекращено. Однако интерес к этому эксперименту в мире был настолько велик, что западные партнеры согласились финансировать дальнейшие испытания. Сначала это делала Франция, а затем США через NASA по программе, утвержденной Российско-американской комиссией по экономическому сотрудничеству, той самой комиссией «Гор — Черномырдин», которая инициировала такие грандиозные проекты, как, к примеру, Международная космическая станция. Интерес западных партнеров можно понять: подобные уникальные данные нельзя было получить больше нигде в мире.
В рамках международного сотрудничества было проведено еще несколько пусков ГЛЛ «Холод», в ходе которых конструкция ГПВРД непрерывно совершенствовалась. Последний — самый удачный — состоялся 12 февраля 1998 года. В его ходе была достигнута скорость 1855 м/с (М=6,49) на высоте 33 км. При этом работоспособность ГПВРД сохранялась в течение 77 с, а режим сверхзвукового горения поддерживался около 20 с. Это достижение также было перекрыто лишь спустя 11 лет при испытаниях экспериментальной крылатой ракеты Х-51А (США) в 2010 году.
У ГПВРД просматриваются две области применения: в дальней перспективе — в качестве двигательной установки для воздушно-космических самолетов, способных в течение пары часов перелететь, к примеру, из Нью-Йорка в Сидней, а также для использования в гиперзвуковых крылатых ракетах, появление которых на вооружении ожидается в самые ближайшие годы.
В настоящее время национальные программы в этой области ведут США, Китай, Великобритания, Австралия, Франция и Индия. Продолжаются работы по этой теме и в оборонной отрасли России, со многими предприятиями которой сотрудничает банк ВТБ. Генеральный директор корпорации «Тактическое ракетное вооружение» Борис Обносов неоднократно заявлял, что первые гиперзвуковые ракеты воздушного базирования могут быть созданы в России в течение ближайших лет. Буквально в шаге от принятия такого образца на вооружение находятся и США. Но вне зависимости от того, в какой стране появится первое гиперзвуковое оружие, в практическом плане эра гиперзвука для атмосферных летательных аппаратов началась 25 лет назад усилиями российских ученых и инженеров.
Текст: Леонид Ситник