В последние годы активно обсуждается гонка по созданию гиперзвуковых ракет, которая развернулась между РФ, США и Китаем. Если посмотреть еще дальше, то становится очевидным, что за беспилотными ракетами, способными достигать крейсерской скорости М=5-7, в след пойдут пилотируемые ЛА. По большому счету, они уже были созданы – речь идет о кораблях «Шаттл» и «Буран».
С какой скоростью могут летать самолеты?
Логично задать вопрос, а с какой же скоростью вообще могут летать перспективные самолеты?
Принципиально возможны сколь угодно большие скорости полета, по большому счету, это вопрос только времени и, раньше или позже, наступит день, когда самолеты будут летать со скоростью 5 тыс. км/ч., теоретически, они могут летать и со скоростью 20 и даже 50 тыс. км/ч.
С одной стороны, уже сейчас можно создать реактивный двигатель, который позволить развивать такую скорость. С другой, такую скорость развить все же не удастся: преодолев звуковой барьер, авиация быстро уткнулась в новый – тепловой.
Тепловой барьер
Быстро летящий самолет сжимает находящийся впереди него воздух и на передней поверхности давление становится повышенным, больше чем сзади. Разность давлений приводит к появлению силы, которая ощущается как сопротивление встречного потока. Вред, связанный со скоростным напором, т.е. сжатием воздуха, резко остановленного в своем беге, не ограничивается повышением давления. Согласно закону сохранения энергии, энергия при сжатии воздуха переходит в тепло, что в свою очередь ведет к нагреву поверхности ЛА.
Во время полета самолета на сверхзвуковых скоростях, давление воздуха в результате скоростного напора может повысится в десятки и даже сотни раз. Если внезапно затормозить воздушный поток, движущийся со скоростью М=2, то его температура увеличится на 230 градусов, а при скорости М=10, температура достигнет почти 5800 градусов! Таким образом, передняя кромка крыла рассекает поток раскаленного воздуха и если не принять специальных мер по теплоизоляции, то она быстро расплавится и приведет к разрушению ЛА (гибель КК «Каламбия»).
Вязкость воздуха
Вторым негативным свойством воздуха является его вязкость т.к. воздух по своим свойствам похож на смолы, конечно, силы связи между частицами воздуха меньше, чем в смоле, но они все же есть и проявляются во время гиперзвукового полета.
Частицы воздуха соприкасающиеся с обшивкой самолета как бы «прилипают» к нему, а к «прилипшему» слою притягиваются последующие слои, которые не смогут двигаться с прежней скоростью, их скорость будет значительно меньше основного потока. Так от слоя к слою, будет расти скорость частиц воздуха пока не станет практически равной скорости летящего самолета.
Прилегающие слои воздуха к ЛА называются пограничным слоем, который оказывает огромное влияние на характер движения тела и управление пограничным слоем является главным вопросом аэродинамики.
В пограничном слое скорость частиц уменьшается из-за силы вязкости, их кинетическая энергия уменьшается как при простом торможении и переходит в тепло, а вся поверхность быстродвижущегося тела оказывается окруженной раскаленным воздухом, но температура задней кромки крыла будет все же меньше, чем передней.
Таким образом, не смотря на мороз в 60 или даже больше градусов на высотах 10-11 км, летящий со сверхзвуковой скоростью самолет оказывается в раскаленной оболочке и чем больше скорость, тем выше температура.
Коридор теплового барьера
В отличии от звукового барьера, связанного с узкой зоной скоростей полета, тепловой барьер значительно сложней, а преодоление теплового барьера имеет радикальное средство в виде увеличения высоты полета, поэтому, на высотах 80-100км практически уже нет ограничения в скорости полета.
Но здесь возникает другая проблема: на большой высоте не только можно, но и нужно летать быстро т.к. при недостаточной скорости горизонтальный полет становится невозможным потому что не создается необходимой подъемной силы. На низких высотах напротив, появляется подъемная сила, но повышается и температура пограничного слоя.
Гиперзвуковой полет может проходить лишь в определенной, узкой полосе высот и скоростей – «коридора теплового барьера». Полет в коридоре возможен на любой скорости, была бы только достигнута нужная высота.
Разработчики гиперзвуковых летательных аппаратов пытаются расширить границы коридора теплового барьера за счет жаропрочных материалов и систем охлаждения, которые подтвердили свою эффективность на скоростных самолетах типаМиГ-25 и SR -71, кораблях типа «Буран» и «Шаттл», но расширение теплового коридора не отменяет полностью проблему.
Как решена проблема теплового барьера на новейших гиперзвуковых ракетах?
Если брать во внимание новейшую гиперзвуковую ракету "Циркон", то наиболее важным показателем является даже не сама скорость 6 или 8 Мах, а высота полета - именно этот показатель деликатно умалчивается во всех тактико-технических характеристиках, опубликованных в открытых источниках и именно высота полета сарзу может указать не только на технологии, которые могли быть применены для борьбы с тепловым барьером, но и дать понимание о типе двигателя установленного на новую ракету.
