Снова Китай вызывает некоторое беспокойство в кругах американских военных своим проектом по разработке гиперзвукового планирующего аппарата. Этот новый концепт способен входить и выходить из атмосферы, значительно увеличивая свой диапазон. Ключевым элементом этого является твердотопливный двигатель, который можно многократно запускать и останавливать.
Идея «скачков» — подобно плоскому камню на воде — не нова. Она была впервые предложена Эйгеном Зенгером в 1941 году.
Китай уже несколько раз тестировал эту траекторию при замедлении возвращающихся капсул лунных миссий на скоростях, превышающих число Маха 30. Последний тест был проведен во время возвращения лунного образца миссией «Чанъэ-5», которая приземлилась в декабре 2020 года.
Теперь Китай объединяет эту траекторию с новым дизайном аппарата и твердотопливным импульсным двигателем.
Что такое траектория Зенгера?
Траектория Зенгера — это небаллистический путь входа в атмосферу. Аппарат, следующий по этой траектории, использует аэродинамическую подъемную силу для увеличения дальности полета. После начального подъема аппарат снова входит в атмосферу, используя подъемную силу для торможения и набора высоты. Этот процесс, называемый «скачковым» повторным входом, позволяет аппарату покидать атмосферу и остывать перед повторным входом.
Одним из ранних предложений по применению на дальние расстояния был проект «Сильберфогель». Задуманный в 1941 году, этот ракетный бомбардировщик был предназначен для атаки на Нью-Йорк из Германии с последующей посадкой в Тихом океане. «Сильберфогель» был оснащен крыльями для подъема, что позволяло ему совершать многократные повторные входы, чтобы достичь необходимой дальности.
Этот концепт был возрожден при изучении способов увеличения дальности баллистических ракет. Хотя он никогда не был использован в боевых действиях, его аэродинамические принципы повлияли на разработку маневренных аппаратов повторного входа (например, космического шаттла США). Эти аппараты используют аналогичные методы для повышения точности и управляемости при входе в атмосферу.
Концепция китайского гиперзвукового планирующего аппарата
Исследователи под руководством Йонга Эньми из Китайского центра исследований и разработок аэродинамики описывают новое гиперзвуковое оружие как обладающее «дальним радиусом действия, высокой маневренностью и непредсказуемостью» в статье, опубликованной в Китайском журнале астронавтики.
Команда стремится превзойти работу Цянь Сюэсэня, известного как отец китайских ракет. Цянь предложил гиперзвуковые планеры в конце 1940-х годов, где планер, запущенный ракетой, спускался без двигателя, используя подъемную силу крыла, чтобы пролететь тысячи километров в атмосфере на скоростях выше числа Маха 7. Этот небаллистический полет известен как траектория Цянь Сюэсэня. Она более сложна, чем траектория Зенгера.
Практические задачи разработки включают в себя больший размер, более сложную работу двигателя и оптимизацию траектории. Из-за военной чувствительности ранее опубликованные исследования ограничивались теоретическими моделями.
Китайская исследовательская группа разработала стройный самолет с фюзеляжем, интегрированным с крыльями, проверенным с помощью симуляций и испытаний в аэродинамической трубе. Новый алгоритм оптимизировал траекторию Зенгера, и компьютерные симуляции показали максимальную скорость, приближающуюся к Маху 20, с поддержанием скорости выше Маха 17 в течение более чем получаса благодаря многократным скачковым входам в атмосферу. Самолет может планировать на скоростях выше Маха 7 после более чем часового полета, достигая практически любого места на планете.
Твердотопливный импульсный двигатель
Ключом к увеличению дальности является твердотопливный ракетный двигатель, который способен многократно запускаться и останавливаться. Китай утверждает, что завершил испытания такого двигателя.
Преимущества:
- Простота: Относительно простой дизайн по сравнению с жидкотопливными ракетами.
- Надежность: Твердые топлива обычно более стабильны и надежны, чем жидкие. Они также обычно требуют меньше времени на запуск.
- Высокое соотношение тяги к весу: Способен обеспечивать высокую тягу для своих размеров.
- Управляемость: Зажигание импульсов по команде и почти оптимальное управление энергией сгорания топлива могут быть достигнуты.
Каждый импульс может иметь разный уровень тяги и время горения, а также достигать разного удельного импульса в зависимости от типа используемого топлива, его скорости горения, конструкции зерна и регулируемого диаметра сопла. (Wikipedia, изменено)
Недостатки:
- Низкий удельный импульс: По сравнению с жидкотопливными двигателями, они производят меньшую тягу на единицу топлива.
- Структурные нагрузки: Конструкция двигателя должна выдерживать многократные циклы давления. Для военной ракеты, не требующей повторного использования, это вряд ли будет проблемой.
Насколько это реальный концепт?
Хотя траектория Зенгера предлагает потенциальные преимущества в дальности и маневренности, она представляет собой значительные инженерные проблемы. Тепловое управление при входе в атмосферу имеет решающее значение, как и разработка подходящих систем привода и управления.
Современные материалы для теплозащиты в основном решили проблемы теплового воздействия, но абляция (износ) может оставаться проблемой. При многократных частичных маневрах повторного входа абляция может по-прежнему быть проблемой.
Китай утверждает, что завершил испытания подходящих двигателей.
Предполагается, что для уклонения от определенных «горячих зон» на поверхности земли потребуется умеренная степень маневренности. Хотя конструкция имеет рули и элевоны, они будут работать только в пределах некоторой атмосферы, даже если она тонка. Для любой корректировки положения выше атмосферы потребуется система управления реакцией.
Мы не знаем, будет ли это предложено как воздушный запуск или ракета с наземным запуском. Твердотопливный дизайн делает его гораздо более подходящим для воздушного запуска с таких платформ, как китайский тяжелый бомбардировщик Xian-6.
Такое оружие будет трудно перехватить без использования оружия направленной энергии, и даже тогда плазма вокруг теплозащитного экрана может представлять проблему.
Является ли это очередным «пугающим» проектом, чтобы беспокоить США и оказывать давление на финансирование исследований обороны? Возможно, но базовая концепция дизайна кажется мне вполне обоснованной. Пентагон может иметь другое мнение, но кажется, что Китай задает темп в этой гонке за космическое превосходство.
South China Morning Post цитирует анонимный источник:
Достижение Китая, по-видимому, «противоречит законам физики», — цитирует анонимный источник.
Я не уверен в этом.