Индийское издание The Eurasian Times 24 января сообщило о прорывных достижениях индийской авиации последних лет. 21 января Индия завершила наземные испытания охлаждаемого сверхзвукового прямоточного двигателя с активным охлаждением. Ряд индийских СМИ утверждает, что, несмотря на то что Китай является мировым лидером в области гиперзвуковых технологий, Индия догоняет Китай!
Что такое охлаждаемый сверхзвуковой прямоточный двигатель и действительно ли он настолько передовой?
Следует отметить, что в данном случае индийские СМИ все же признали превосходство Китая над Индией. Индийская пресса признала, что Китай в области гиперзвуковых технологий уже обогнал США и Россию, став безоговорочным лидером. Однако с прорывом Индии в технологии охлаждаемых сверхзвуковых прямоточных двигателей Индия догоняет Китай и становится одной из четырех ведущих стран в области гиперзвуковых технологий!
Так важен ли этот охлаждаемый сверхзвуковой прямоточный двигатель?
Ответ: это действительно впечатляющая технология. Однако стоит упомянуть, что американцы уже давно перестали уделять ей внимание, а китайцы вообще больше не занимаются этим направлением. Логика разработки охлаждаемых сверхзвуковых прямоточных двигателей достаточно сложна, но ниже постараемся объяснить ее максимально просто.
Первый вопрос: что такое сверхзвуковой прямоточный двигатель?
Существует два типа прямоточных двигателей:
- Прямоточные двигатели с дозвуковой скоростью воздушного потока в камере сгорания, называемые дозвуковыми прямоточными двигателями. Обычно они работают на скоростях ниже 5 Маха.
- Прямоточные двигатели, у которых воздушный поток в камере сгорания превышает скорость звука, называются сверхзвуковыми прямоточными двигателями. Они работают на скоростях выше 5 Маха.
Сверхзвуковые прямоточные двигатели особенно подходят для гиперзвуковых летательных аппаратов, но для достижения более высоких скоростей требуется большая тяга. Технология активного охлаждения как раз и направлена на увеличение тяги.
Второй вопрос: зачем нужно активное охлаждение?
Принцип работы прямоточного двигателя в целом схож с турбореактивным двигателем. В турбореактивном двигателе используется компрессорная ступень вентилятора для сжатия воздуха, а в прямоточном двигателе для этого применяется ударная волна. Чтобы увеличить тягу двигателя, требуется более высокая степень сжатия, что позволяет камере сгорания работать при большем давлении и генерировать большую тягу.
Однако возникает проблема: в процессе сжатия внешние силы, действующие на газ, повышают его внутреннюю энергию, что приводит к росту температуры. Этот рост температуры вызывает расширение газа, что значительно снижает эффективность сжатия. В итоге давление в камере сгорания увеличивается намного меньше, чем требуется, что существенно затрудняет увеличение тяги двигателя.
Активное охлаждение решает эту проблему, позволяя более эффективно сжимать воздух и увеличивать тягу двигателя.
Активное охлаждение предполагает, что температура воздуха на входе в двигатель быстро снижается с помощью охлаждающих технологий. После этого сжатый и нагретый воздух будет иметь значительно более низкую температуру по сравнению с тем, какая была бы без охлаждения. Это позволяет существенно увеличить давление в камере сгорания и, соответственно, значительно повысить тягу двигателя. Благодаря применению этой технологии в индийском охлаждаемом сверхзвуковом прямоточном двигателе удалось добиться значительного увеличения тяги.
Третий вопрос: что индийцы используют в качестве среды для активного охлаждения?
Ответ на этот вопрос одновременно важен и прост — это водород!
Топливом для этого двигателя является жидкий водород. Перед подачей в камеру сгорания жидкий водород предварительно проходит через воздухозаборник, где он «нагревается», выполняя две функции:
- Предварительно нагревает топливо, что улучшает его сгорание.
- Охлаждает поток воздуха, снижая его температуру.
Таким образом, «отработанное охлаждение» водорода способствует значительному увеличению тяги двигателя, используя его уникальные термические свойства.
Жидкий водород обладает и другими преимуществами: он отличается лучшей воспламеняемостью (низкая энергия зажигания), отлично смешивается с воздушным потоком и обеспечивает высокую эффективность сгорания. Благодаря этим свойствам использование жидкого водорода в прямоточных двигателях технически проще и более осуществимо.
Четвертый вопрос: какие проблемы связаны с таким охлаждением?
Использование жидкого водорода в качестве топлива для прямоточных двигателей уже тестировалось в США, где X-43A достиг максимальной скорости в 10 Махов. Однако эта концепция больше не разрабатывается. Китай также активно исследовал жидкий водород как топливо для гиперзвуковых прямоточных двигателей, о чем свидетельствует большое количество научных публикаций. Тем не менее, Китай сделал выбор в пользу углеводородного топлива с активным охлаждением.
Почему? Ответ довольно прост: жидкий водород имеет два крупных недостатка:
Сложности хранения: Жидкий водород требует крайне низких температур для хранения (около -253 °C).
Его объем гораздо больше, чем у углеводородных топлив, что усложняет транспортировку и эксплуатацию.
Высокие требования к инфраструктуре делают его непригодным для использования в боевых условиях. Например, ни одна современная ракета или ракета-носитель не использует жидкий водород в качестве основного топлива.
Проблема водородной хрупкости: Водород способен проникать и диффундировать в металл, что приводит к снижению его механических свойств.
Это вызывает снижение пластичности, увеличение хрупкости и может привести к появлению трещин и разрушению конструкции.
В условиях эксплуатации это серьезно ограничивает надежность материалов, что делает жидкий водород сложным выбором для практического использования в оружии.
Эти факторы объясняют, почему современные разработки делают акцент на более практичных и надежных углеводородных топливах.
Использование жидкого водорода, безусловно, возможно в одноразовых ракетах, однако в случае многоразового применения, например, в гражданских сверхзвуковых прямоточных двигателях, проблема становится более сложной. После нескольких запусков трубопроводы, скорее всего, придется заменять, что подтверждает сложность обращения с водородом.
Так какой же средой охлаждения пользуется Китай?
Ответ — гелий.
На этом этапе необходимо упомянуть китайский двигатель «Юньлун» — предварительно охлаждаемый комбинированный циклический ракетный двигатель. Этот тип двигателей обладает крайне сложной конструкцией. Его основной принцип заключается в том, что сжатый воздух используется как окислитель в ракетном двигателе. На начальном этапе полета в атмосфере применяется воздух как окислитель. Когда воздух становится слишком разреженным, двигатель переключается на использование запасенного окислителя, превращаясь в чистый ракетный режим.
Роль предварительного охлаждения состоит в том, чтобы охлаждать воздух, поступающий в воздухозаборник, увеличивая степень сжатия. Это предотвращает избыточное расширение воздуха после сжатия, которое могло бы снизить эффективность компрессии.
Почему используется гелий, а не водород?
Как уже было сказано, водородная хрупкость теплообменников остается нерешенной проблемой, которая делает водород малопригодным для длительного использования. Гелий лишен этого недостатка, и, хотя он не может служить топливом, его уникальные свойства делают его идеальным для систем охлаждения и теплообмена.
В этом случае гелий циркулирует исключительно в контурах «охлаждения и теплообмена», не участвуя в процессе сгорания. Эта технология невероятно сложна, и даже опубликованные Китайскими разработчиками схемы двигателя понятны лишь немногим специалистам.
Жидкий водород как топливо отлично подходит для одноразовых двигателей, однако в случае с многоразовыми двигателями возникают серьезные проблемы. Возможно, в будущем удастся решить проблему водородной хрупкости, но на текущем уровне технологий ее можно лишь замедлить, но не устранить полностью.
Еще одна проблема с индийским водородным сверхзвуковым прямоточным двигателем — его текущие характеристики. Двигатель работает на скорости 6 Махов и стабильно функционирует в течение 20 с лишним секунд. Однако для практического применения время работы должно быть в диапазоне 5–10 минут, что говорит о значительном отставании Индии в развитии этой технологии. Чтобы догнать Китай, Индии предстоит преодолеть большой разрыв.
Прогресс Китая в гиперзвуковых технологиях: Индия остается далеко позади
Гиперзвуковые технологии можно условно разделить на два основных направления:
Гиперзвуковая аэродинамика: Скользящие гиперзвуковые вооружения (например, управляемые боеголовки).
Гиперзвуковые летательные аппараты двойного назначения (военные и гражданские).
Гиперзвуковые двигатели: Основное внимание уделяется созданию устойчивых и эффективных двигательных систем, которые работают на высоких скоростях (5–10 Махов) и обеспечивают продолжительное время полета.
Китай уже достиг существенного прогресса в обеих областях, включая применение углеводородного топлива с активным охлаждением, что позволяет сочетать практичность и высокую эффективность. Индии же еще предстоит пройти долгий путь, чтобы достичь аналогичных результатов.
Скользящие гиперзвуковые вооружения особо представлять не нужно: сюда относятся китайские DF-17, DF-26, DF-27, а также YJ-21. У России и США есть свои аналоги. Однако у американских проектов, таких как воздушно-старотовая ARRW и наземная LRHW, пока были значительные неудачи. Лишь недавно LRHW показала два успешных теста, но для официального принятия на вооружение ей потребуется еще несколько успешных испытаний.
Гиперзвуковые летательные аппараты двойного назначения
В эту категорию входят такие известные китайские проекты, как MD-19, MD-22, MD-25. Помимо них, WZ-8 также относится к гиперзвуковым летательным аппаратам, но уже чисто военного назначения.
Гражданские гиперзвуковые проекты Китая
Двухступенчатый летательный аппарат в рамках программы "Тэнъюнь": предназначен для выведения полезной нагрузки на орбиту.
Одноступенчатый космоплан "Юньлун": разрабатывается как многоразовый летательный аппарат для суборбитальных и орбитальных полетов.
Эти программы демонстрируют серьезный акцент Китая на интеграцию гиперзвуковых технологий в гражданский и коммерческий секторы, что дает стране значительное преимущество в исследованиях и разработках многоразовых летательных систем.
Стоит подчеркнуть, что оба аппарата из упомянутых программ, "Тэнъюнь" и "Юньлун", являются орбитальными системами, способными развивать скорость около 7,8 км/с, необходимую для выхода на орбиту. На данный момент они заявлены как гражданские проекты, но разница между гражданскими и военными разработками в таких областях часто весьма условна — достаточно лишь "пробить тонкую стенку" между ними.
Основные типы двигателей для гиперзвуковых летательных аппаратов
Для гиперзвуковых аппаратов требуется двигатель, способный работать на скоростях свыше 5 Махов. Сегодня используются несколько основных типов:
Сверхзвуковые прямоточные воздушно-реактивные двигатели (СПВРД) Упоминались ранее. Они эффективны, но не могут запускаться самостоятельно. Обычно их используют в связке с другими двигателями, например, ракетными или турбореактивными.
Взрывные двигатели (детонационные)
Сюда входят:Пульсирующий детонационный двигатель (PDE);
Ротационный детонационный двигатель (RDE);
Стационарный наклонный детонационный двигатель (OBD).
Эти двигатели также можно комбинировать с прямоточными или турбореактивными для создания гибридных двигательных систем.
Комбинированные двигатели
Самая сложная категория, включающая множество гибридных технологий:Сверхзвуковой прямоточный двигатель + ракетный двигатель;
Воздушно-реактивный турбодвигатель + ракетный двигатель;
Турбореактивный + прямоточный + сверхзвуковой прямоточный;
Предварительно охлажденный двигатель + прямоточный двигатель;
Предварительно охлажденный двигатель + турбодвигатель + ракетный двигатель.
Эти комбинации позволяют использовать преимущества каждого типа двигателей в зависимости от режима полета, скорости и высоты, что делает комбинированные двигатели наиболее перспективными для гиперзвуковых летательных аппаратов будущего.
На данный момент сложно сказать, какая из технологий станет оптимальным решением для гиперзвуковых летательных аппаратов. Тем не менее, ротационный детонационный двигатель (RDE) и предварительно охлажденный комбинированный ракетный двигатель выглядят наиболее перспективными.
Подход Китая: всеобъемлющие исследования
Китай придерживается стратегии, заключающейся в параллельной разработке всех ключевых технологий. Это означает, что страна одновременно ведет исследования в области:
- сверхзвуковых прямоточных двигателей,
- детонационных технологий,
- предварительно охлажденных и комбинированных двигательных систем.
Такой подход, "взрослый" и амбициозный, позволяет Китаю занимать лидирующие позиции в мире. США и Россия, несмотря на их богатый опыт, уже отстают от Китая в ряде ключевых направлений. Что касается Индии, то ее текущие достижения в области сверхзвуковых прямоточных двигателей, безусловно, заслуживают признания, поскольку это значительный прогресс для страны.
Но если сравнивать с Китаем, то разрыв все еще очень велик. Индии еще предстоит пройти долгий путь, чтобы достичь уровня китайских технологий. Тем не менее, поздравим Индию с этим шагом вперед — для нее это действительно важное достижение!