Гиперзвук

Где еще существует ниша применения авиационных технологий, т. е. реализации управляемого полета в пределах земной атмосферы? Эта ниша – гиперзвук, т. е. полет со скоростями, в четыре и более (до шести) раз превышающими скорость звука. Как и все технологии, технология гиперзвука‑двойная, т. е. гиперзвуковой самолет может быть как гражданского, так и военного назначения. Более того, область гиперзвуковых скоростей может быть использована и для функционирования воздушно‑космического самолета.

В 1970‑1980‑е гг., в эпоху технического оптимизма, в Европе разрабатывались проекты воздушно‑космических самолетов с горизонтальным взлетом и посадкой. Эти проекты были прямой конкуренцией американскому «Спейс Шаттлу» («Космическому Челноку»), космическому кораблю многоразового применения. «Челнок», как известно, стартует вертикально с помощью мощного ракетного ускорителя и после выполнения своей миссии приземляется по‑самолетному. В Великобритании проект подобного челнока‑самолета назывался «HOTOL» (Horisontal Take‑Off Landing – «горизонтальные взлет и посадка»). Очевидно, что использование в качестве первой ступени воздушно‑реактивного двигателя существенно повысило бы эффективность системы в целом.

В этом случае разгон в слоях атмосферы происходил бы с использованием при горении кислорода самой атмосферы, а не запасенного в баках ракеты.

Если «HOTOL» был проектом полностью ракетного самолета, то в тогдашней Федеративной Республике Германия проект воздушно‑космического самолета предполагал применение воздушно‑реактивного двигателя на первой ступени. Этот аппарат получил имя «Зенгер» в честь известного немецкого ученого и инженера Ойгена Зенгера, активно работавшего в 1930‑1940‑е гг. в Германии над созданием ракетных и прямоточных двигателей. Тогда, в 1980‑е гг., казалось, что создание воздушно‑космических систем вполне возможно. Скорее всего, технически так оно и было. Но эти многообещающие проекты так и не были реализованы по причине дороговизны разработки, непосильной для бюджета одной страны. Тем не менее и сегодня существует возможность возврата к этим проектам на базе международного сотрудничества и соответствующего разделения труда. Сейчас, после завершения концептуально весьма спорной программы американских «челноков», самое время приступить к созданию такой системы. Во всяком случае, для расширения кругозора полезно знать схему вывода на околоземную орбиту космического корабля с применением авиационных технологий.

Для примера рассмотрим вначале схему работы воздушно‑космического самолета «Зенгер». Это – двухступенчатый аппарат: первая ступень представляет собой гиперзвуковой самолет с турбопрямоточной силовой установкой, работающей на водороде, вторая ступень – ракета с жидкостным водородно‑кислородным ракетным двигателем. «Зенгер» взлетает по‑самолетному с помощью тяги обычных турбореактивных двигателей. Так же по‑самолетному набирает высоту 11 км на дозвуковой скорости. На этой точке траектории (Н=11 км, М=0,8) самолет может совершать длительный крейсерский полет (1 – й крейсерский режим полета). Далее начинается разгон до числа Маха 3,5 с набором высоты до 20 км. В этой точке траектории турбореактивный двигатель выключается и капотируется, а вместо него включается прямоточный контур. На траектории имеется еще одна точка (2‑й крейсерский режим), параметры полета в которой тоже обеспечивают длительный крейсерский полет(Н=25 км, М=4,5) самолета. Наконец, при достижении высоты 30 км и скорости полета, соответствующей числу Маха полета 6,8, происходит отделение и запуск второй, ракетной ступени. Как мы видим, эта ступень уже разогнана до высокой скорости и, следовательно, для выхода на околоземную орбиту ракете второй ступени потребуется существенно меньший запас энергии (топлива), чем в случае чисто ракетного старта с поверхности земли.

Напомним, что применение углеводородного топлива (керосина) при гиперзвуке ограничено уровнем числа Маха=4 из‑за низкой в сравнении с водородом температуры пламени. Из‑за этого ограничения с ростом скорости полета и увеличивающегося кинетического подогрева воздуха на входе при его торможении количество подведенного тепла уменьшается и соответственно уменьшается и совершаемая работа и термический кпд (вспомним формулу Карно). Поэтому для достижения эффективного преобразования химической энергии топлива в работу необходимо применять топливо с более высокой температурой пламени горения. Именно таким качеством обладает водород, но и он имеет ограничения по скорости, а именно Мmax = 7. Альтернативой этому является технология… охлаждения воздуха на входе в двигатель с помощью теплообменника‑рекуператора с использованием хладоресурса запасенного в баках горючего (жидкого водорода, имеющего низкую температуру).

Теоретические разработки гиперзвукового пассажирского самолета были сделаны в НАСА (США) еще в 1970‑е гг. Планировалось создать самолет «Восточный экспресс», способный преодолевать расстояние от Нью‑ Йорка до Токио за три (!) часа. Этот самолет проектировался на перевозку 300 пассажиров на расстояние 12 000 км с крейсерской скоростью М=5. Самолет взлетным весом 440 тонн должен был оснащаться четырьмя двигателями по 27,5 тонны тяги (энерговооруженность – те же классические 0,25 для четырехмоторных самолетов). В 1989 г. стартовал международный проект разработки технологий для силовой установки перспективного гиперзвукового пассажирского самолета. Базовой страной для интеграции проекта двигателя была выбрана Япония с участием ведущих мировых разработчиков газотурбинных двигателей «Роллс‑Ройс» и «Дженерал Электрик». Проект шел ни шатко ни валко двадцать лет, проводились эксперименты на отдельных узлах будущего турбопрямоточного двигателя, но на выходе результата пока не получилось.

Не стали отставать от США и европейцы: уже в начале XXI века здесь тоже появились проекты гиперзвуковых пассажирских самолетов на 200 (300 тонн взлетного веса) и 300 (400 тонн взлетного веса) пассажиров на планируемой трассе Брюссель – Сидней. Это расстояние будущий гиперзвуковой самолет должен преодолевать за три часа. Насколько реальны эти проекты? С точки зрения экономической эффективности пассажирский гиперзвуковой самолет представляется очень рискованным проектом. Огромные вложения в разработку врядли окупятся в его дорогой эксплуатации. Если только… на будущей многолюдной трассе Пекин – Нью‑Йорк.

А вот военное и космическое применение гиперзвука совершенно реально и здесь впереди всех, по крайней мере, по продуманности стратегии, находятся США. Более того, НАСА и Военное ведомство США создали совместную организационную структуру, получившую название «Национальная Аэрокосмическая Инициатива» (НАИ), для практической реализации следующего поколения проектов. Намучившись с «челноками» в части прогноза их надежности при многократном применении, НАСА поставило задачу радикального снижения затрат на запуски космических кораблей с помощью разработки носителей нового поколения с применением гиперзвукового самолета. Этот проект аэрокосмического самолета, получивший обозначение Х‑43 (как и всякий опытный самолет, имеющий индекс «X»), по плану должен быть закончен к 2025 г. летными испытаниями демонстратора. Правда, окончательный выбор типа первой ступени еще не сделан. Рассматриваются оба варианта: чисто ракетный и на базе газотурбинного двигателя. Но «верхняя» часть первой ступени является гиперзвуковым прямоточным воздушно‑реактивным двигателем со сверхзвуковым горением.

Вообще, естественная трансформация оптимального двигателя космического корабля выглядит следующим образом. При старте, когда начальная скорость полета в атмосфере равна нулю, необходимое для производства работы сжатие воздуха осуществляет компрессор газотурбинного двигателя. С увеличением скорости полета все большая часть сжатия происходит при торможении воздуха в воздухозаборнике и все меньшая – в компрессоре. Начиная с числа М полета, равного 3–3,5, компрессор, по сути, вырождается, практически ничего не добавляя к степени сжатия в воздухозаборнике. Здесь газотурбинную часть двигателя целесообразно выключать и переходить на чисто прямоточный контур с дозвуковым горением до скоростей полета порядка М=5. Следующей оптимальной модификацией двигателя является прямоточный двигатель со сверхзвуковым горением (при М4 температура торможения при обтекании стабилизатора достигает величины воспламенения, и возникает устойчивое горение при высокой, в том числе и сверхзвуковой скорости). И, наконец, при выходе за пределы атмосферы, где воздух имеет малую плотность и не может служить рабочим телом, применяется жидкостноракетный двигатель, который использует вместо атмосферного воздуха собственный запас окислителя в баке ракеты или самолета. Необходимое давление в камере сгорания при этом обеспечивается расходом рабочего тела, который, в свою очередь, дают насосы, качающие окислитель и горючее в необходимом количестве.

Если газотурбинные технологии до числа М полета, равного 3, хорошо отработаны, то область работы прямоточного двигателя со сверхзвуковым горением (М4) является проблемной как в научном, так и в практическом плане. И в этом направлении ведутся интенсивные исследования. Кроме того, представляется заманчивым продлить область применения газотурбинного двигателя (пусть и в комбинированном варианте с прямоточным) до М=4. Тогда в космическом корабле силовая установка для его разгона будет иметь три отдельных модуля: турбопрямоточный, прямоточный со сверхзвуковым горением и ракетный двигатели.

В США принята соответствующая программа разработки так называемого «Революционного Турбинного Ускорителя» (РТУ или, в английской транскрипции, RTA), в которой участвует знаменитая фирма «Дженерал Электрик». В качестве прототипа такого «революционного» двигателя используется F‑120, так называемый «двигатель изменяемого цикла» с механически регулируемыми площадями проходных сечений (в частности, соплового аппарата турбины).

Проблем создания гиперзвукового самолета много. Начиная от недостаточной точности прогноза внешнего сопротивления такого аппарата, а следовательно, и оценки потребной величины тяги силовой установки. Дело в том, что при таких гиперзвуковых скоростях надежность геометрического моделирования при аэродинамических продувках еще требует подтверждения. Неясно, работает ли (скорее всего, не работает) в этом случае теория подобия, столь успешно применяемая при исследовании моделей дозвуковых и сверхзвуковых (но не гиперзвуковых) самолетов. Современные методы расчета и моделирования аэродинамики тоже нуждаются в верификации. Взаимодействие гиперзвукового потока с двигателем и самолетом порождает существенно нелинейные эффекты, которые современные сеточные методы математического моделирования точно описать не могут. Все идет к тому, что доводка таких дорогих систем должна во многом вестись на натуре в летных условиях. Здесь мы находимся в ситуации, аналогичной начальной стадии разработки крупных ракетных двигателей.

Прямоточный контур двигателя со сверхзвуковым горением тоже требует исследований, начиная от разработки новых более легких теплопроводных материалов типа гамма‑титан‑алюминий или керамических композитов на основе кремния и выбора типа топлива. Нужно иметь в виду, что топливо используется здесь для охлаждения камеры сгорания. И т. д, и т. п.

Какова же ситуация с гиперзвуком в России? И каково здесь возможное применение гиперзвуковых самолетов? Вряд ли следует ожидать применения гиперзвука для вывода на орбиту космических аппаратов и кораблей. В России для этой цели уже давно сложилась надежная система применения ракетных носителей. Не будет в России и гиперзвукового воздушного транспорта – нет такой потребности, да и с экономической точки зрения это нецелесообразно. А вот в области военного применения гиперзвука существуют заманчивые перспективы Надо отметить, что этой темой в России занимаются давно (с 1970‑х гг.) в Центральном институте авиационного моторостроения в рамках федеральных целевых программ («Холод» по использованию водорода и др.). Эта тема не только предоставляет прекрасные возможности для развития фундаментальной науки, прежде всего в области механики жидкости и газа, а также физики горения, но и имеет очевидный прикладной характер. Разработка новых математических моделей процессов, проведение уникальных экспериментов – все это само по себе имеет большую ценность для инновационного развития страны. В случае же создания гиперзвукового носителя оружия оборона страны получает новое качество благодаря повышению скорости реакции и неуязвимости ответа на возможные угрозы.

В ЦИАМ темой ГПВРД (гиперзвуковой прямоточный воздушно‑реактивный двигатель) предметно начали заниматься с 1985 г. (отдел 012, начальник отдела А.С. Рудаков), ориентируясь на создание воздушно‑космического самолета. Концепция такого самолета была разработана в ОКБ Туполева, а будущий проект самолета получил обозначение Ту‑2000. Но организовать системную работу по созданию такого самолета не удалось по многим причинам, в том числе и из‑за отсутствия целевого финансирования. Как известно, начиналась «перестройка», и эта «перестройка» «прошлась Мамаем» по многим проектам. Тем не менее в программе «Холод» было запланировано проведение летного эксперимента ГПВРД, получившего обозначение С‑57. Эта работа носила комплексный характер: нужно было подготовить гиперзвуковую летающую лабораторию на базе зенитной ракеты С‑200, разработать стартово‑пусковой комплекс, создать сам ГПВРД и систему регулирования подачи топлива, бортовую систему хранения и подачи жидкого водорода, заправочный и транспортный комплекс жидкого водорода и т. д.

Сам ГПВРД по техническому заданию ЦИАМ был разработан (с участием Тушинского моторного КБ) в знаменитом воронежском КБ «Химавтоматика» (основатель – С.А. Косберг), разрабатывавшем жидкостные ракетные двигатели как для космоса, так и для боевых ракет В. Челомея. Двигатель имел осесимметричный воздухозаборник и устанавливался в головной части ракеты. В ЦАГИ были проведены аэродинамические продувки воздухозаборника и ракеты С‑200. Предприятие «Криогенмаш» разработало систему бортового хранения водорода. Летающую лабораторию, естественно, создавали разработчики С‑200. Активное участие в проекте принимали организации Минобороны – испытания планировалось провести на полигоне «Сары‑Шаган» (Казахстан).

На летный эксперимент российский ГПВРД вышел раньше американского. Уже в 1991 г. был проведен первый полет с запуском ГПВРД длительностью 27,5 секунды с автоматическим включением и выключением камеры сгорания. Это был крупный успех, несмотря на имевшийся прогар камеры сгорания. Но в 1992 г… финансирование этой программы прекратилось: все мы хорошо помним то время «либеральных» реформ. Деньги нашли во Франции в обмен на информацию, и в конце 1992 г. было проведено второе, еще более успешное испытание С‑57, во время которого двигатель отработал 40 секунд, в том числе более 20 секунд в режиме сверхзвукового горения в камере. При испытании присутствовали и французские инженеры.

В 1994 г. к этой программе подключились и американцы (НАСА) – использовать готовые инфраструктуру и объект исследования было очень заманчиво. НАСА заключило контракт на участие в этом эксперименте с соответствующим финансированием. В качестве цели испытания было сформулировано достижение скорости полета, соответствующее числу М=6,5, и демонстрация устойчивой работы ГПВРД. В связи с этим требованием ГПВРД был доработан, в том числе улучшена система охлаждения камеры сгорания, и 12 февраля 1998 г. летное испытание ГПВРД было успешно проведено. Двигатель отработал без разрушения положенные 70 секунд и была достигнута максимальная заданная скорость. Следует отметить, что американский ГПВРД Х‑43 совершил первый гиперзвуковой полет в 2001 г., достигнув скорости М=6,8. Несмотря на очевидный успех российского эксперимента, многие задачи остались нерешенными. И одна из главных – определение реального внешнего сопротивления летательного аппарата. Для этого необходим автономный (без ракетного «бустера») полет.

Проект гиперзвукового самолета Ту‑2000.

Что же дальше? Американцы пошли своим путем, реализуя масштабную «дорожную карту», получившую название «Гиперзвуковой доступ в космос» с окончанием в 2025 г. Им деваться некуда – «шаттлы» нужно скорее списывать, а летать в космос не на чем. Надо думать, что после двух катастроф «космических челноков» директор НАСА должен был креститься, прежде чем подписать разрешение на очередной полет. У России же денег, вернее, понимания в руководстве страны, для форсирования такой подлинно инновационной темы не оказалось. А вот Франция тоже по бедности «зацепилась» за Россию: экспериментальный гиперзвуковой летательный аппарат LEA длиной 4,2 метра планируется испытывать с помощью российской системы вывода на расчетные параметры полета. Сам аппарат представляет собой классический самолет с «плоскими» воздухозаборником и соплом. Нижние поверхности этого самолета одновременно являются внешними поверхностями торможения потока в передней части и расширения его после подвода тепла в задней части. Контракт (2006 г.) с российской стороны поддерживает Рособоронэкспорт. В числе российских участников предприятие «Радуга» (ракетный «бустер»), ЦАГИ (аэродинамические продувки), Летно‑исследовательский институт им. Громова (телеметрия), ЦИАМ и Московский авиационный институт (отработка процессов горения и математическое моделирование процессов).

Схема гиперзвукового прямоточного реактивного двигателя со сверхзвуковым горением при М›4. Видны убирающиеся (при работе на гиперзвуке) стабилизаторы пламени.

Планируется в течение 2013…2015 гг. выполнить четыре полета длительностью 30–40 секунд в диапазоне гиперзвуковых скоростей М = 4–8 на высоте 30–40 км. Вывод на расчетные параметры полета должен осуществляться последовательно с помощью сверхзвукового бомбардировщика Ту‑22МЗ («бустер» + LEA), затем «бустерная» ракета с аппаратом должны отделиться от самолета, и с помощью нее аппарат должен быть выведен на расчетную высоту, на которой он совершит горизонтальный полет. В результате этих испытаний планируется получить ключевую информацию как о свойствах гиперзвукового самолета, так и о процессах горения и охлаждения в двигателе. Пожелаем успеха этому проекту. Все хорошо, вот только если бы не Оборонпром с его безудержным желанием заработать денег без надежного и, как кажется чиновникам, слишком дорогого инженерного обеспечения.

Date: 2016-01-20; view: 583; Нарушение авторских прав