В Части I мы разобрались с тем, что такое гиперзвук и гиперзвуковая скорость полета. Теперь давайте разберемся с типами гиперзвуковых летательных аппаратов.
В эпоху всеобщего помешательства увлечения словом "гиперзвук", нам — "чайникам", зачастую бывает довольно сложно избежать заблуждений, навязываемых нам в "СМИ общего пользования", которые бросились клеить ярлык "гиперзвуковой" ко всему подряд: от танковых снарядов и старых-добрых баллистических ракет, до космических ракет-носителей и даже сугубых космических аппаратов, типа спутников. Давайте же попробуем разобраться — какие аппараты относятся к гиперзвуковым, а какие нет?
Если подходить к вопросу формально, и этим порочным подходом зачастую пользуются СМИ, то гиперзвуковые летательные аппараты(сокр. ЛА) появились еще во время Второй мировой войны. Например, немецкая баллистическая ракета Фау-2 достигала скорости >5 Махов, в конце ее разгонного(так называемого активного) участка траектории полета. И при этом, формально, находясь еще в атмосфере Земли, то есть ниже воображаемой линии Кармана, которая проходит на высоте 100км над уровнем моря и, опять же — формально, считается границей атмосферы Земли и космического пространства.
Однако разработавший Фау-2 Вернер фон Браун, впрочем как и все другие конструкторы ракетной техники прошлых лет — сильно бы удивился, если бы кто-то назвал его ракету "гиперзвуковой".
Гиперзвук или нет?
На иллюстрации ниже показаны три типа траекторий полета:
I — траектория полета классической баллистической ракеты;
II — траектория полета гиперзвукового летательного аппарата смешанного типа "разгон-планирование";
III — траектория полета гиперзвуковой крылатой ракеты или самолета, пролегающая исключительно в пределах атмосферы Земли. Так называемый "моторный гиперзвук".
Давайте же разберем подробней каждый из них.
Тип I
Ну, что тут сказать — баллистическая ракета и есть баллистическая ракета. Но, на всякий случай, я приведу определение баллистической ракеты, взятое с официального сайта Минобороны России:
Баллистическая ракета
Ракета, которая большую часть своей траектории полета движется как свободно брошенное тело. Траекторию свободно брошенного тела называют баллистической. Если считать, что сила притяжения, действующая на ракету, направлена к центру Земли, то баллистическая траектория представляет собой эллипс, один из фокусов которого совпадает с центром Земли.
Баллистическая траектория состоит из двух основных участков, активного и пассивного. Траектория современных Б.р. с разделяющимися головными частями и моноблочных ракет с комплексом средств преодоления ПРО включает также участок разведения боевых блоков и ложных целей.
На активном участке траектории ракета движется с ускорением под действием тяги, создаваемой маршевыми ракетными двигателями. В конце активного участка траектории от ракеты отделяется полезная нагрузка с требуемыми значениями скорости и угла бросания. На пассивном участке на ракету действуют сила земного притяжения и аэродинамические нагрузки.
Короче говоря, баллистическая ракета "метает" себя саму, при помощи собственного стартового/маршевого двигателя, который работает лишь на начальном, то есть разгонном участке ее полета. А дальше она летит по инерции, всё больше теряя скорость под действием силы тяжести Земли, и постепенно переходя из набора высоты в снижение, по траектории близкой к параболе.
Именно поэтому баллистические ракеты сравнительно просто сбивать, ибо их траектория, особенно на среднем, заатмосферным участке полета — подчиняется довольно хорошо просчитываемым факторам. Именно для перехвата баллистических ракет на среднем участке траектории их полета, и предназначены заатмосферные ракеты-перехватчики американской стратегической системы ПРО, типа SM-3 или GBI.
Также, чем больше дальность баллистической ракеты, тем более протяженный средний участок ее полета, пролегающий вне атмосферы. И именно на этом участке баллистические ракеты наиболее уязвимы для средств противоракетной обороны. Что, собственно говоря, и потребовало сначала создания ложных надувных "легких" целей, размещаемых на наших баллистических ракетах еще со времен СССР. А после выхода США из договора об ограничении систем ПРО от 1972 года, и по мере совершенствования американской стратегической системы ПРО — потребовалось создание гиперзвуковых боевых блоков и ракет, чья траектория куда менее предсказуема и пролегает, полностью или в значительной ее части, в атмосфере.
Тип II
"Разгон-планирование"(или boost-glide, по англ.) это давно известный и наиболее простой для реализации тип гиперзвуковых летательных аппаратов.
Данный тип является гибридным и состоит из ступени выведения, фактически являющейся классической баллистической ракетой, которая несет на себе летательный аппарат(боевой блок) — способный, в том числе, планировать в атмосфере, на гиперзвуковых скоростях.
Такая ракета стартует по траектории очень близкой к траектории классических баллистических ракет, но после завершения ее активного участка полета, когда двигатель ступени выведения выработал всё топливо и прекратил свою работу, ступень и размещенный на ней ЛА/боевой блок — разделяются.
Гиперзвуковой ЛА, покуда он находится вне атмосферы, продолжает свой полет по классической баллистической траектории. Но после прохода апогея, то есть высшей точки баллистической траектории, блок начинает "падать" обратно на Землю и со временем возвращается в атмосферу, где уже начинается его управляемый, "атмосферный" участок полета. То есть планирование.
Как подвид такого типа траектории, планирующий гиперзвуковой летательный аппарат, за счет средств управления полетом, в общем случае оперения(но возможно и применение газодинамических средств управления, то есть миниатюрных ракетных двигателей ориентации), может вновь перейти из пикирования в набор высоты, снова "выскочить" за пределы атмосферы — на новый заатмосферный баллистический участок траектории, и вновь возвратиться в атмосферу. И так до конца полета, поочередно переходя от баллистического заатмосферного участка полета к аэродинамическому планированию в атмосфере.
Проще и грубее говоря, такие летательные аппараты, словно плоский камень, брошенный вдоль воды, падающий и подскакивающий от не вновь и вновь, за счет своей плоской, "несущей" поверхности.
Данный вид аппаратов ведет свое начало от суборбитальных и орбитальных возвращаемых космических аппаратов, а ее представителями военного назначения являются наш ракетный комплекс стратегического назначения "Авангард" и американская ракета средней дальности AGM-183A. Оба они используют в качестве ступени выведения баллистическую ракету, которая несет планирующий гиперзвуковой боевой блок.
Тип III
К третьему типу относятся гиперзвуковые летательные аппараты, полет которых, как и полет традиционных сверхзвуковых самолетов или крылатых ракет — проходит целиком в атмосфере, а гиперзвуковая скорость поддерживается за счет гиперзвукового двигателя с высокой топливной эффективностью, который работает на всем протяжении среднего, то есть маршевого участка их полета.
Вскользь, я уже коснулся подобного типа аппаратов, в Части I данного цикла, когда вкратце рассказал о Гиперзвуковом Прямоточном Воздушно-Реактивном Двигателе(ГПВРД) и о сложностях с его созданием, над которыми, вот уже 60 лет, бьются ученые и инженеры всего мира.
И также я упоминал о том, что традиционные ракетные двигатели не отличаются высокой топливной эффективностью, и к тому же ракеты с ними вынуждены нести на борту не только горючее, но и окислитель, который занимает до трех четвертей общего объема баков, что неимоверно раздувает их габариты и массу.
Тем не менее, уже сегодня существует как минимум одна гиперзвуковая крылатая ракета, использующая жидкостной ракетный двигатель(сокр. ЖРД). Это наша отечественная противокорабельная ракета Х-32, носителем которой являются самолеты семейства Ту-22М3(М).
Но, как я уже сказал, данные ракеты просто огромны. Их габариты и масса сравнимы, а то и превосходят габариты и массу реактивных истребителей первого поколения. Достаточно сказать, что длина такой ракеты — 11,65 метра, а стартовая масса составляет почти 6 тонн.
Именно поэтому так нужен ГПВРД, в разы более экономичный и позволяющий не тащить внутри ракеты окислитель, а черпать его прямо из атмосферы.
На сегодняшний день достоверно можно сказать, что единственной, причем даже не боевой, гиперзвуковой крылатой ракетой с ГПВРД — является американская исследовательская ракета X-51A Waverider, разработанная компанией Боинг.
Однако даже она совершила всего-навсего три полета, лишь один из которых увенчался полным успехом, то есть выполнением всей запланированной полетной программы.
Весьма вероятно, что наша гиперзвуковая крылатая ракета 3М22 Циркон также может быть оснащена ГПВРД. Однако, пока что, однозначных и достоверных подтверждений этому нет. Подробней о Цирконе вы можете прочесть в материале "ЦИРКОН: Факты и домыслы".
Также, наша отечественная перспективная гиперзвуковая крылатая ракета, известная под аббревиатурой ГЗУР, а с недавних пор именуемая в СМИ как "Гремлин" — тоже может, и скорее всего будет использовать в качества силовой установки ГПВРД. Подробней об этом вы можете прочесть в материале "Гиперзвуковой «Гремлин»: И снова, что-то тут не так...".
Но пока, говорить предметно можно лишь об американской летающей лаборатории X-51A Waverider, так что ниже я привожу инфографику с параметрами одного из ее исследовательских полетов.
Как видно из данной инфографики, ракета пролетела 240,6 морских миль(это 445,8 км) за 240 секунд. Довольно скромные показатели, дающие среднюю путевую скорость на траектории в районе 995 м/с или 3,3 чисел Маха. С максимально достигнутой скоростью в 5,1 чисел Маха. Максимальная высота ее полета составила 63 500 футов, или 19367,5 метров. Длительность рабочего цикла ГПВРД составила 212 секунд, и это пожалуй единственный рекорд, значимый в контексте достижения стабильного цикла горения воздушно-топливной смеси в камере сгорания ГПВРД.
Короче говоря, данный тип гиперзвуковых летательных аппаратов находится в самом начале своего пути. Однако, и об этом я также упоминал в Части I данного цикла, в перспективе именно ГПВРД сулит наибольшие выгоды и лишь он позволит создавать не только гиперзвуковые крылатые ракеты, но и гиперзвуковые самолеты, способные послужить сравнительно компактным, эффективным и многоразовым средством выведения космических аппаратов, способным в будущем ощутимо потеснить, а то и вовсе заменить традиционные ракеты-носители.
Поживем, увидим.
