Двадцяте століття стало ерою авіації і польотів в космос. Але якщо ракети досягли космічних швидкостей (понад 7,9 км / сек), то найшвидші літаки поки літають з куди більш скромними, майже на порядок меншими швидкостями. Подолання цього швидкісного розриву гіперзвуковими повітряно-реактивними літальними апаратами означатиме наступ нової ери - ери повітряно-космічних кораблів. І тоді переліт з Нью-Йорка до Парижа займе не більше 1-2 годин, що порівнянно зі звичайною заміської поїздкою. Відстані між континентами стануть несуттєвими, а наша рідна планета - «менше». Навколо світу за 8 годин - ось реальність завтрашнього дня!
Сьогодні в небі панують літаки з турбореактивними двигунами, що працюють на звичному нам вуглеводневому паливі - гасі. Сучасні двигуни можуть забезпечити авіалайнерам швидкість, не набагато перевищує надзвукову. Не кажучи вже про пасажирські авіалайнерах, що літають на дозвукових швидкостях (крім вже відлітали «Конкорда» і Ту-144), максимальна швидкість навіть бойових реактивних літаків тільки втричі більше швидкості звуку.
Що ж заважає літакам досягати великих швидкостей і виходити в навколоземний простір, перейшовши в нову якість - повітряно-космічних кораблів? Зрозуміло, що чим більше швидкість літака, тим потужнішим повинен бути його двигун. Може бути, майбутнє за літаками з ракетними двигунами?
Дійсно, максимальна швидкість для пілотованих літаків досягнута ще в 1967 р амерікан¬скім експериментальним літаком Х-15 з ракетним двигуном. Але у подібного двигуна є істотний недолік: він працює, використовуючи пальне і окислювач, запасається на борту ракети. І ці компоненти витрачаються в такому величезному кількості, що абсолютно виключає використання таких двигунів для тривалих польотів в атмосфері.
Основою реактивного принципу руху є закон збереження імпульсу, в найпростішому випадку представляє собою рівність MV = mv. (Зліва - маса і швидкість літального апарату, праворуч - маса і швидкість продуктів згоряння палива, що викидаються з двигуна в протилежному напрямку). Цей закон дозволяє літати реактивних літаків, ракет - відриватися від Землі і йти в космос, і він же є причиною віддачі при стрільбі
Вихід із цього становища один: освоєння ракетних швидкостей літальними апаратами з повітряно-реактивними двигунами. Останні в якості окислювача використовують кисень з повітря, витрата палива у них істотно менше, що дозволяє в кілька разів збільшити економічність польотів в атмосфері. На жаль, сучасні авіаційні двигуни не можуть працювати при гіперзвукових швидкостях (М> 3-4) через надзвичайного нагрівання повітря при його гальмуванні в воздухозаборнике двигуна. Для освоєння гіперзвукових швидкостей необхідно створити абсолютно нові повітряно-реактивні силові установки.
Навіщо літакам літати, як ракети?
Але такі гіперзвукові апарати стануть в нагоді не тільки військовим. Багатоступінчасті аерокосмічні системи, що складаються з літака-розгонщики і повертається орбітального апарату, забезпечать не тільки багаторазове використання коштів доставки, а й збільшать корисне навантаження, що надходить на орбіту. У міру збільшення транспортних потоків по маршруту «земля-орбіта-земля» це значно здешевить доставку вантажів, не кажучи вже про можливий розвиток космічного туризму.
Для звичайної людини вигода буде полягати в істотному прискоренні і інтенсифікації пасажирських перевезень на далеких, міжконтинентальних маршрутах. Літаки зі швидкістю 10М за час, не надто обтяжлива для пасажирів, - всього лише половину робочого дня - зможуть перелетіти з США чи Європи до Австралії, тобто подолати 16-17 тис. Км!
Словом, перспективи створення гіперзвукової авіації виглядають багатообіцяючими. Але виникає питання: наскільки це технічно можливо і в якій мірі готові до цього країни, що домоглися найбільшого прогресу в авіаційно-космічних технологіях?
Сьогодні промислові технології існують лише для виробництва літаків, оснащених турбореактивними двигунами на гасі і розрахованих на швидкості не більше 3М. Для літаків, здатних досягти швидкостей 5-6м, застосовні існуючі конструкції з титану і сплавів, які витримують температури до 500-600 ° С, проте їх турбореактивні або турбопрямоточние реактивні двигуни повинні працювати на більш теплостійкому вуглеводневому паливі. Оскільки такі розробки вже є, потрібно лише деякий удосконалення існуючих технологій.
А ось для гіперзвукових літаків з М> 5-6 і повітряно-космічних кораблів потрібні абсолютно нові технології, відмінні як від сучасних літакових, так і від ракетно-космічних. Силова установка для подібних апаратів повинна бути не тільки економічною. Їй необхідно працювати в безпрецедентно широкому діапазоні швидкостей - від дозвукових до гіперзвукових.
Рішення проблеми - гіперзвукової прямоточний?
Взагалі-то прямоточний реактивний двигун може ефективно працювати тільки при надзвукових швидкостях (М> 2), на режимах зльоту і посадки він непридатний. Тому для гіперзвукових літаків в цих випадках повинні додатково використовуватися звичайні турбореактивні або ракетні двигуни. Ще один варіант - різноманітні комбіновані або гібридні силові установки.
Економічність повітряно-реактивних двигунів можна підвищити завдяки переходу на ракетне пальне - рідкий водень або, наприклад, рідкий метан. Водень взагалі є ідеальним авіаційним паливом. По-перше, він має велику теплотворною здатністю, даючи при згорянні максимум енергії в розрахунку на одиницю маси пального. По-друге, при спалюванні він перетворюється на звичайну воду, будучи екологічно чистим пальним, що важливо.
Зараз загальновизнано, що для випробувань і відпрацювання повномасштабних ГПВРД в натурних умовах найдоцільніше використовувати спеціальні безпілотні експериментальні апарати, які виводяться на траєкторію з гіперзвукової швидкістю польоту «примусово», ракетою або літаком-носієм. Такі системи отримали назву гіперзвукових літаючих лабораторій. прикладом тут може служити російський «Холод».
Розробки ГПВРД, розпочаті більше 40 років тому, зараз тривають у багатьох країнах з розвиненою авіакосмічної промисловістю: в Росії, США, Великобританії, Франції та ін. Однак незважаючи на досягнуті великі успіхи, завдання створення двигуна, який міг би бути використаний в реальному проекті гіперзвукового літального апарату, залишається поки до кінця не вирішеною.
Як боротися з аеродинамічним нагрівом
Однією з найбільш критичних проблем у створенні гіперзвукових і повітряно-космічних літаків є інтенсивний нагрів літальних апаратів під час руху на надзвукових швидкостях. Проблема ця стосується як конструкцій планера і силової установки (льотний ресурс яких повинен становити не менше 30-60 тис. Годин), так і авіаційного палива, про що вже згадувалося вище.
До нашого часу технології виробництва теплостійких конструкцій створені стосовно повертається орбітальним апаратам. Так, в кінці 1950-х років були розроблені неохолоджувані так звані гарячі конструкції з жароміцних сплавів, прикладом яких може служити стільниковий обшивка. Подібні конструкції можуть бути використані і для гіперзвукових літаків.
Крім «гарячої» конструкції, були запропоновані ще два типи. Перший - так звана екранована конструкція з теплоізоляцією і екраном, що відокремлює від теплозахисного шару силові елементи двигуна і планера. У цьому випадку останні працюють при помірних температурах, тому для них можна використовувати звичайні, більш легкі матеріали.
Інший підхід полягає в активному охолодженні зовнішньої обшивки апарату. Привабливим хладоагентом є рідкий водень, який використовується як пальне для двигуна. Найбільш ефективна конструкція передбачає поєднання системи охолодження з системою конвекції рідкого палива і з тепловими екранами, відокремленими повітряним зазором від охолоджуваних елементів. Хладоресурс палива при цьому витрачається для охолодження як самого двигуна, так і планера.
Американські дослідження показали, що для охолодження гіперзвукового транспортного літака, що досягає швидкостей 6М і має ГПВРД звичайної, наприклад осесиметричної, конфігурації, повинен бути витрачений практично весь хладоресурс палива. Саме тому так важливо розробляти конструкції повітрозабірника, які забезпечують зниження неминучих теплових навантажень на літак.
З початку 1970-х років в ІТПМ СО РАН проводяться дослідження з розробки тривимірних, так званих конвергентних повітрязабірників. Струмінь повітря, захоплююча таким повітрозабірником, стискається по одному напрямі. В результаті поперечний переріз внутрішнього каналу двигуна набуває компактну, близьку до кругової форму, чим забезпечується відносно невелика (омивається) площа найбільш теплонапружених стінок повітрозабірника і камери згоряння. Це істотно спрощує теплозахист двигуна в порівнянні, наприклад, з конструкцією з осесиметричним повітрозабірником, які мають щілинну форму внутрішнього каналу двигуна. Конвергентні повітрозабірники забезпечують також більшу ступінь стиснення при менших кутах нахилу поверхонь стиснення.
Вчора і сьогодні гіперзвукової авіації
У ФРН в рамках національної програми гіперзвукових технологій в 1985-1986 роках розроблявся проект двоступеневої повітряно-космічної системи Sänger. однією з цілей при цьому було забезпечення автономії Європи в галузі космічних польотів.
Перспективним напрямком в розробках аерокосмічних апаратів є створення комбінованого повітряно-реактивного двигуна. В апаратах з такою силовою установкою захоплюваний повітря зріджується, потім з нього в рідкому вигляді виділяється окислювач - кисень. Накопичення рідкого кисню відбувається в фазу досить тривалого польоту в атмосфері, після чого включаються киснево-водневі ракетні двигуни і апарат виходить на орбіту. Дослідження в цьому напрямку проводяться в Росії, США та інших країнах. Одна з найвідоміших - багаторазова повітряно-космічна система HOTOL - створена в Великобританії.
Перший вітчизняний проект повітряно-космічного корабля був розроблений в 1966 р в НДІ-1 (нині Науково-дослідний центр ім. М. В. Келдиша), першої державної ракетної організації країни, де в той час працював Е. С. щетинки. Майже в цей же час проектуванням гіперзвукових літальних апаратів різного призначення зайнялися і в ряді дослідно-конструкторських бюро Міністерства авіаційної промисловості. Перший радянський проект багаторазової авіаційно-космічної системи - «Спіраль» - почав розроблятися в ОКБ А. І. Мікояна всього через 4 роки після польоту в космос Ю. Гагаріна.
Розробки гіперзвукових літальних апаратів різного рівня складності з ГПВРД або комбінованими силовими установками проводилися і в інших науково-дослідних організаціях - в Центральному аерогідродинамічному інституті (ЦАГІ), в ЦИАМ, в новосибірському ІТПМ. Ці експериментальні і теоретичні дослідження стосувалися, зокрема, проблем горіння палив в надзвуковому потоці, аеродинаміки і аеродинамічного нагріву, важливих для льотно-технічної ефективності апарату в цілому.
Слово про Аяксі
В унікальному прямоточном реактивному двигуні «Аякса» повинні відбуватися іонізація і магнітогазодінаміческіе (МГД) гальмування повітряного потоку, при цьому вивільнена кінетична енергія буде перетворюватися в електричну.
«Безкоштовне» тепло від аеродинамічного нагрівання корпусу апарату і каналу двигуна використовується для поліпшення характеристик споживаного палива. Суть ідеї полягає в тому, що вихідний енергоносій (звичайний авіаційний гас) піддають паровій конверсії, для чого до нього додають воду і проганяють через систему активного охолодження літального апарату, яка включає реактори хімічної регенерації тепла, вбудовані в обшивку планера і каналу двигуна.
В результаті з вуглеводневого палива виробляється вільний водень, який, змішуючись з гасом, утворює паливну суміш - конвертін. Ця реакція супроводжується сильним поглинанням тепла, що забезпечує охолодження потрібних частин апарату. Сам конвертін надходить в камеру згоряння, забезпечуючи краще горіння, ніж вихідне паливо.
В рамках проекту передбачалося розробити літальні апарати різного призначення: транспортно-пасажирський літак; літак-розгонщики; повітряно-космічну систему; випробувальні модулі та інші. Програма робіт була розрахована на 20 років, але, на превеликий жаль, державної підтримки не отримала. Хоча слід зауважити, що унікальні технології, які могли б бути створені в рамках «Аякс», знайшли б широке застосування в народному господарстві.
Що буде завтра?
У найближчі 10-15 років можна очікувати практичну реалізацію проектів гіперзвукових крилатих ракет і окремих розробок експериментальних літальних апаратів з ГПВРД.
Створення гіперзвукових літаків військового призначення та літаків-Разгонщик не викликає принципових технічних труднощів. Основні перешкоди на цьому шляху - висока вартість і невизначеність їх затребуваності в умовах сучасної міжнародної обстановки.
Раціональні аргументи на користь необхідності створення «гіперзвукових» технологій можна наводити довго, але в глибині душі, напевно, кожного з нас таїться ще й зрозуміле дитяче бажання - поглянути на рідну планету з висоти польоту повітряно-космічного корабля.
Введення ж в експлуатацію гіперзвукових транспортних і пасажирських літаків буде визначатися двома факторами: швидкістю зростання пасажиропотоків на далекі відстані і можливістю підвищення економічності апаратів, що вимагає значного технологічного прогресу.
Майбутнє гіперзвукової авіації сьогодні проглядається досить чітко. Але навіть якщо б гіперзвукові і повітряно-космічні літаки ніколи не відірвалися від земної поверхні, що з'явилися завдяки їм сучасні високі технології не стали б «зайвими» людству. Теплостійкі матеріали і конструкції, результати досліджень процесів горіння в до- і надзвукових повітряних потоках, теплостійкі і криогенні палива, різні підсистеми, що працюють в складних умовах, і інші розробки знайдуть своє місце в самих різних, в тому числі - неавіаційних, галузях промисловості.
Умови використання матеріалів
Електронні платежі здійснюються через процесинговий центр PayOnline і сервіс ROBOKASSA