Решил сделать цикл небольших заметок про гиперзвук, гиперзвуковые летательные аппараты и гиперзвуковое оружие, дабы как-то сформулировать и систематизировать всё то, что я, как интересующийся данной темой энтузиаст-обыватель(впрочем, такой же "чайник"), об этом знаю. А заодно и с вами поделиться, дорогие читатели и подписчики.
Сразу скажу, что никаких откровений, сенсаций, а уж тем более неких "тайных сакральных знаний" — от данной серии заметок ждать не стоит. Но возможно кто-то из вас откроет в этих заметках для себя что-то новое, интересное и познавательное. А кто-то, быть может, и меня просветит, а то и избавит от неких, весьма вероятно наличествующих у меня самого, фундаментальных заблуждений, пробелов и неточностей.
Только, товарищи секретоносители, если будете пробегать мимо, то пожалуйста не забывайте, что: "Кто даст правильный ответ — тому сразу десять лет." ©
Итак, что же такое гиперзвук, а точней, гиперзвуковая скорость полета?
Гиперзвуковая скорость
Это настолько высокая сверхзвуковая скорость движения летательного аппарата в атмосфере, при которой аэродинамический нагрев* приводит к настолько экстремальному росту температуры, что это начинает проявляться в "выбивании" атомов из молекул газа, а также в явлении ионизации, то есть в превращении электрически нейтральных частиц газа в частицы с электрическим зарядом — ионы. Иными словами, газ, обтекающий летящий в нём аппарат, начинает переходить в состояние плазмы.
*Аэродинамический нагрев — это нагрев, возникающий вследствие торможения, уплотнения и, как следствие, скачкообразного повышения давления и температуры газа в слое ударной волны, возникающей перед летальном аппаратом, двигающемся со сверхзвуковой скоростью, а также в пограничном слое, присутствующем на поверхности корпуса летательного аппарата.
Принято считать, что все перечисленные явления начинают проявляться при скоростях полета в 5 и более чисел Маха(>=1500 м/с).
"Крылатый металл" — не вариант
Собственно, значительный аэродинамический нагрев — одна из наиболее сложных проблем, с которыми сталкиваются конструкторы гиперзвуковых ЛА.
Глядя на таблицу выше, нетрудно догадаться что материалы для создания гиперзвукового летательного аппарата — требуются особые. Традиционным для авиации "крылатым металлом" алюминием и композитами на основе полимеров тут уже не обойтись, по крайней мере в качестве материалов обшивки и других внешних элементов конструкции аппарата.
Сложность с выбором материалов, подходящих для применения в конструкции гиперзвуковых ЛА, заключается еще и в том, что они должны иметь не просто высокую температуру плавления, но и обладать необходимыми механическими свойствами, минимальным удельным весом, и, что очень важно, теплостойкостью — то есть способностью сохранять необходимые механические свойства в условиях экстремально высоких температур.
На сегодняшний день, в качестве наиболее вероятных и востребованных материалов, для применения в конструкции гиперзвуковых летательных аппаратов и их силовых установок, рассматриваются:
- легированные стали;
- титан и сплавы на его основе;
- никель-алюминиевые сплавы;
- углерод-углеродные композиты;
- карбид кремния;
- сплавы на основе вольфрама.
Стоит отметить, что, пожалуй кроме легированных сталей, все другие материалы весьма дороги в производстве и требуют особых технологий при работе с ними. Банально, те же сплавы на основе титана сваривать можно только в среде инертного газа. А сплавы на основе вольфрама и карбид кремния требуют особых, весьма сложных и дорогих технологий нанесения данных материалов на наиболее теплонагруженные детали, например путем предварительного разогрева компонентов сплава лазером, плазменной горелкой или электрической дугой, до температур в многие тысячи градусов, с последующим их напылением на поверхность обрабатываемой детали.
Но, конечно, выбор конкретных материалов сильно зависит от требуемых скоростей и режимов полета аппарата, потому что одно дело, если речь идет об ЛА, который должен летать на скорости 5-6 Махов, и совершенно другое, если требуются скорости в 8-10 и более Махов.
Ну очень пламенный мотор
В заключение, и в контексте главнейших сложностей, сопровождающих создание гиперзвуковых ЛА — не могу обойти стороной и не сказать о несколько слов о двигательных установках для них. Безусловно, данный аспект потребует целой отдельной главы...ну хотя бы ввиду технической сложности самой проблемы, и даже сложности ее грамотного освещения, таким как я "чайником", да еще в понятном для других "чайников" изложении...однако:
В данной главе я хотел бы упомянуть лишь один тип двигательных установок для "гиперзвуковиков" — самый многообещающий, но при этом самый сложный для практической его реализации, и пока еще никем в мире не созданный, в его законченном, пригодном для массового производства и применения виде.
Конечно же, я подразумеваю Его Величество — Гиперзвуковой Прямоточный Воздушно-Реактивный Двигатель. Сокращенно ГПВРД. Именно ГПВРД является тем Священным Граалем Гиперзвука, над созданием которого бьются ученые и инженеры всего мира, на протяжении последних 60-ти лет.
И проблем там валом, потому что подобный двигатель должен не просто выдерживать адские температурные нагрузки, но еще и поддерживать стабильный цикл своей работы, и выдавать тягу, достаточную для поддержания гиперзвуковой скорости аппарата, на котором он установлен.
Однако ГПВРД сулит такие выгоды, что на его основе станет реальным создание не только гиперзвуковых ракет и боевых блоков, но и многоразовых гиперзвуковых самолетов.
Дело в том, что ввиду невозможности или неэффективности применения в гиперзвуковых ЛА традиционных турбореактивных и прямоточных двигателей, на сегодняшний день для достижения гиперзвуковых скоростей используются ракетные двигатели, которые, при всей их мощности, не могут похвастаться топливной эффективностью и возможностью многоразового применения. К тому же, летательные аппараты с ракетным двигателем вынуждены "тащить на себе" не только горючее, но и окислитель, который занимает до 75% от общего объема компонентов топлива, что очевидно не идет на пользу габаритам и массе гиперзвукового ЛА, и, как следствие — его летным характеристикам.
ГПВРД же, как и все другие воздушно-реактивные двигатели, черпает окислитель буквально из воздуха, а его теоретически достижимая топливная эффективность(удельный импульс в секундах) в разы превосходит таковую, у ракетных двигателей.
Но повторюсь, более подробно об этом я расскажу в отдельной главе.
На этом пока всё, а в следующей части я коснусь сразу двух, нераздельно связанных друг с другом вопросов, второй из которых неизменно вызывает жаркие споры:
- Какие виды гиперзвуковых летательных аппаратов бывают?
- Какие летательные аппараты действительно можно считать гиперзвуковыми, а какие получили этот титул незаслуженно, просто в силу моды на слово "гиперзвуковой"?
