Гиперзвуковые самолеты — многообещающий и перспективный сегмент авиации. Но сложность процессов гиперзвукового обтекания ведет к проблемам расчетов и конструктивным трудностям. Поэтому сегодня летающих гиперзвуковых самолетов нет. Смогут ли они стать повседневной реальностью?
Концепт гиперзвукового пассажирского самолета, представленный компанией Boeing в 2018 году на аэрокосмической конференции в Атланте, США
Фото: Boeing
Концепт гиперзвукового пассажирского самолета, представленный компанией Boeing в 2018 году на аэрокосмической конференции в Атланте, США
Фото: Boeing
По летней бетонке разбегался самолет стремительного стреловидного облика. С гулом оторвавшись от полосы и заняв разрешенное направление, он перешел в интенсивный набор высоты. На пару секунд пассажиров в салоне охватила легкость: набрав 10 км, самолет выровнялся и на том же режиме двигателей пошел горизонтально. Из-за этого скорость его быстро росла, и вскоре в салоне на экранах засветилось слово «сверхзвуковой режим» и большая буква «М» с числом.
Число росло вместе со скоростью. Когда оно достигло 1,7, пассажиров коснулась мягкая перегрузка, скорее забавная, чем неприятная. Самолет задрал игловидный нос высоко над горизонтом и снова стал быстро набирать высоту. Число возле буквы «М» почти не менялось, плавно дойдя до 1,8. Небо в иллюминаторах полностью чернело, засветились звезды. Атмосфера внизу стала тонкой и яркой, словно блестящей. А местность была все больше похожа на топографическую карту.
На 30 км высоты самолет опустил нос и выровнял полет. Число на экранах быстро росло. Шум двигателей изменился. Вместо привычного турбореактивного рокота и вибраций он стал ровнее и звучал как-то иначе. Число достигло 5, и сразу повсюду на экранах загорелось слово «гиперзвук». Пассажиры уже не замечали, как высота поднялась до 35 км. Число показывало 6,5 и больше не росло. Отстегнуты ремни безопасности, стюардессы начали разносить кофе. Но не сытный обед, ведь посадка уже через час.
Гиперзвуковой: что это значит
Мы уже рассказывали о гиперзвуковом движении (в материале «Гиперзвуковая крылатая ракета и ее скачки»), вспомним основные понятия. Скорость движения (полета или газового потока), отмеренная в скоростях звука, называется числом Маха, М. Его значение показывает, во сколько раз быстрее или медленнее звука движется объект или поток. Скорость звука берется местная, при данных условиях, потому что она может меняться — в основном из-за температуры. При движении ровно со скоростью звука М=1, при скоростях быстрее звука, то есть сверхзвуковых,— М>1. Если движение быстрее звука в пять и больше раз — М>5, движение называется гиперзвуковым. Это новое название для сверхзвукового движения ввели из-за особенностей картины обтекания при таких скоростях. С гиперзвуковым летательным аппаратом чуть сложнее. Разные объекты летят в атмосфере со скоростями в пять и более раз быстрее звука. Ракеты-носители, спускаемые аппараты, орбитальные ракетопланы типа «Спейс шаттла», боеголовки баллистических ракет, некоторые зенитные ракеты. Но гиперзвуковой участок их полета кратковременный, переходный к основному участку (или после него), где гиперзвукового движения нет. Основная часть их траекторий лежит в пустоте, без газовой среды, где говорить о числе Маха бессмысленно, потому что там нет ни звука, ни его скорости.
Гиперзвуковой аппарат, напротив, летит основную часть своего полета с гиперзвуковой скоростью в газовой среде атмосферы, на крейсерском режиме. Форма аппарата оптимизирована для гиперзвукового обтекания и создания им подъемной силы, которой он держится в воздухе. Этой задаче служат аэродинамические особенности элементов конструкции. Заостренные передние кромки крыльев и киля; их возможный клиновидный профиль, вытянутая игловидная или клиновидная носовая часть и др. Такой аппарат может как планировать, используя полученную как-либо высоту и скорость, так и лететь на тяге своего двигателя. Если двигатель воздушный, работающий на основном участке полета в крейсерском режиме, это будет гиперзвуковой аппарат в полном значении этого понятия. Самолет, который полетит на гиперзвуке основную часть маршрута, будет гиперзвуковым. Это даст ему большие плюсы.
Плюсы гиперзвукового полета
Главный козырь, конечно, скорость. От Лондона до Нью-Йорка за час с небольшим — как между районами большого города. Столь быстрый перелет интересен и гражданским, и военным: тот же час с небольшим из Лондона будет и до Кабула. И даст возможность действительно быстрого реагирования.
Второй козырь, важный военным,— практическая неуязвимость гиперзвуковой цели. Считается, что гиперзвуковые ракеты сегодня нечем перехватить. Их скорость не по зубам зенитным системам с их скоростью принятия решений и всего лишь сверхзвуковыми ракетами. Эта же «броня скорости» будет и у гиперзвукового самолета. И она может быть также важна и главам государств, политикам, важным пассажирам. Многих громких катастроф лайнеров, сбитых ракетами, не случилось бы, будь они гиперзвуковыми.
Еще один плюс гиперзвукового самолета — отсутствие звукового удара на земле. Об этой проблеме сверхзвуковых самолетов и ее решениях мы рассказывали в материале «Пассажирский сверхзвук: каким путем пойдут новые поколения». Гиперзвуковой полет займет диапазон высот 30–35 км, намного выше, чем у сверхзвуковых самолетов. Сильно разреженный воздух там слабо передает ударную волну, а расстояние до земли, то есть путь рассеивания и ослабления, намного больше. На земле не слышно гиперзвуковой полет. Что позволит летать на гиперзвуке над густонаселенными районами.
Эта же большая высота позволит шире наблюдать территории при аэрофотосъемке местности. Будет полезна и для связи, и в других случаях: высотность полета найдет свое использование.
Разумеется, гиперзвуковой самолет на своем крейсерском режиме не будет зависеть от погодных условий и явлений, оставшихся глубоко внизу. Не будет тряски и турбулентности при характерном покое стратосферы на этих высотах.
Очередным плюсом будет и крейсерский полет в свободном от других самолетов пространстве. Вся дозвуковая толчея — пассажирская, транспортная и прочая — останется глубоко внизу. Как и вся сверхзвуковая авиация, обжившая нижнюю стратосферу. Лишь такие же гиперзвуковики смогут летать на этих высотах, да висеть редкие капли стратостатов.
Но для полета на гиперзвуке нужно решить больший комплекс задач и проблем, образующих два главных направления: летящая конструкция и двигатель. Оба направления возникают из свойств гиперзвукового обтекания, которое несколько отличается от сверхзвукового.
Особенности гиперзвукового обтекания
Обтекание тела (самолета и его части: кабины, крыла, киля, любого элемента в потоке) сверхзвуковым потоком приводит к сжатию потока перед обтекаемой частью конструкции. Сжатие происходит на тонкой границе внутри потока, рядом с поверхностью обтекаемого тела, сразу и мгновенно. Плотность, давление и температура потока увеличиваются резким скачком, поэтому эту поверхность сжатия внутри потока назвали скачком уплотнения. За скачком спрессованный воздух течет медленнее, со сверхзвуковой или дозвуковой скоростью; он стал плотнее и горячее. Именно он обтекает поверхности сверхзвукового самолета. При этом и на дозвуке, и на сверхзвуке молекулы газов летят простыми точками, без строения и особенностей формы. Их движение просто и прямолинейно до и после столкновений друг с другом или обтекаемым препятствием. Энергия этих ударов не вызывает отклика в самих молекулах, всего лишь точках.
При скоростях М=5 и выше обтекание начинает лезть в молекулу газа. И открывает этим ящик гиперзвуковой Пандоры. Энергия соударений молекул начинает дополнять их простое движение новыми формами. Молекулы главных газов воздуха, азота и кислорода, состоят из двух атомов, соединенных связью. Выше М=5 молекула газа начинает резонировать ударам: два ее атома колеблются, сближаясь и отдаляясь. Так молекула принимает и запасает энергию своего колебательного движения. Это увеличивает теплоемкость газа, состоящего из таких колеблющихся молекул. И добавляет газу энергию в этой форме. У трехатомных молекул СО2 колеблется также угол между атомами кислорода. Энергия колебаний молекул оценивается колебательной температурой. Помимо нее молекулы получают накачку энергией вращения. Поток молекул превращается в массы крохотных спиннеров, волчков, маховичков. Энергия вращения описывается вращательной температурой газа.
Накачка молекул новыми движениями ослабляет в них связи между атомами. Молекулы начинают рваться на части. Происходит диссоциация газов. Освободившиеся одиночные атомы разных газов соединяются, образуя новые вещества. Это химические реакции. В зоне гиперзвукового обтекания идут множественные химические реакции, с разным поглощением и выделением энергии, балансами реагирующих веществ. Образование соединений одновременно сопровождается их распадом. Баланс возникновений и распадов меняется от многих параметров: температуры, давления, концентраций и др. Добавляет жару химическим процессам и материал корпуса, выступая катализатором реакций. Катализ меняет поглощение и выделение энергии, температуру, состав и свойства потока, параметры обтекания.
С дальнейшим ростом скорости от атомов отрываются электроны. Происходит ионизация газов, возникает и растет концентрация плазмы. Ионы с оторванным электроном и свободные электроны вступают в химические реакции, еще больше усложняя картину.
Сверхзвуковой конус Маха вокруг летящего объекта становится очень узким, похожим на рукав. При скорости М=10 угол конуса Маха всего 11,5 градуса. При М=20 угол конуса 5,7 градуса. Это означает, что ударная волна конуса ложится на поверхность гиперзвукового аппарата, облегая его корпус, как перчатка руку. Она сливается с вязким пограничным слоем газа, увеличивая его энергию. На поверхности аппарата образуется ударный пограничный слой-волна, питаемый огромной энергией набегающего потока. Здесь возникают и растут высокочастотные акустические волны неустойчивости, снова усложняя картину. Огромное количество химических реакций и физических процессов, протекающих в вязком ударном слое раскаленного газа, требуют для описания сотен различных переменных, характерных чисел и весьма сложных моделей происходящего. Газ становится неидеальным и неравновесным. Базовые уравнения перестают работать. Возникает плотный яркий кисель из огромного множества явлений — мгновенных, высокотемпературных и энергичных. Красочное богатство гиперзвуковой картины разительно отличается от простого разогрева сверхзвуковым сжатием.
У гиперзвукового потока сжатие в скачке уплотнения может составлять несколько десятков раз. Температура сжатого воздуха, обтекающего гиперзвуковой самолет, достигнет нескольких тысяч градусов. Он станет очень сильно нагревать обтекаемые поверхности, которые потребуют охлаждения, иначе их материал потеряет прочность. Поэтому гиперзвуковому самолету понадобятся новые конструкционные материалы, одновременно и жаропрочные (сохраняющие прочность в раскаленном виде), и жаростойкие (не обгорающие в раскаленном газе). При этом они должны быть легкими, технологичными и недорогими. Найти материалы, удовлетворяющие сразу всем этим условиям, не получается; задача уходит в область трудных компромиссов.
Фото: Hermeus
Фото: Lockheed Martin
Фото: NASA
Гиперзвуковой двигатель как главный орешек
Наибольшие трудности ожидают создателей гиперзвукового двигателя. Сегодня он видится только прямоточным со сверхзвуковым потоком в любой части двигателя. Это ГПВРД, гиперзвуковой воздушно-реактивный двигатель. Его почти абсолютная принципиальная простота — просто труба, узкая в середине и расширенная с концов,— сопровождается крайне трудным расчетом процессов внутри этой трубы. А без расчета нет и управления рабочим процессом, работой двигателя.
В гиперзвуковом прямоточном двигателе нет вращающихся частей. Поток в нем течет сам собой, за счет встречного скоростного напора. В передней части двигателя воздух сжимается в нескольких последовательных скачках уплотнения (так меньше потери) до необходимой плотности и температуры. При этом поток остается сверхзвуковым в любой части трубы, тоже для избежания больших газодинамических потерь.
Сжечь топливо в сверхзвуковом потоке непросто, это возможно только в форме детонации с ее сверхзвуковым фронтом горения. Топливо нужно распылить за десятитысячные доли секунды, и попадет оно в ту самую хаотичную смесь ионов и множества химических реакций, которая и так трудно поддается обсчету. Добавка топлива еще более усложнит картину. И сгореть оно должно крайне быстро, пока смесь движется с огромной сверхзвуковой скоростью по небольшой камере сгорания — сужению посередине трубы. Успев при этом выделить достаточно тепла, которое разгонит сверхзвуковой поток на выходе из трубы, в расширяющемся сверхзвуковом реактивном сопле.
Но и это еще не все. Гиперзвуковой скоростью самолета нужно управлять, а значит, и тягой через управление режимом работы гиперзвукового двигателя. Для изменения сжигания топлива в нем потребуется изменять параметры потока в камере сгорания, а значит, везде в трубе. И на входе, в воздухозаборнике, чтобы управлять скоростью и сжатием потока к середине трубы (то есть создавать нужную температуру, плотность и давление в камере сгорания). И на выходе, чтобы реактивное сопло отрабатывало изменение сжигания топлива всегда максимальным создании тяги (для текущего расхода топлива). При этом двигатель должен обеспечить много важных моментов: газодинамическую устойчивость при быстроте управления горением (противоречивое сочетание!), экономичность, диапазон режимов работы и пр.
Отдельной проблемой является полет на сверхзвуковых и дозвуковых режимах, недостаточных по скорости для работы прямоточного гиперзвукового двигателя. Ведь взлетать и приземляться самолет будет в обычном дозвуковом режиме. А поднимаясь в стратосферу, разгоняться до сверхзвукового режима перед гиперзвуком. Потребуется еще один двигатель, работающий на медленных режимах полета. Или придется создавать сверхуниверсальный двигатель «три в одном», что трудно сделать оптимально под столь разные режимы полета. Можно втискивать «два в одно», подобно тому, как турбореактивный двигатель знаменитого скоростного разведчика Lockheed SR-71 становился на 85% сверхзвуковым прямоточным. Но «три в одном» оказывается еще более трудным набором задач.
На выставке Aerodays 2019 был представлен проект гиперзвукового самолета Stratofly для пассажирских и грузовых перевозок, получивший финансирование от исследовательской инновационной программы Horizon 2020 Европейского союза в рамках грантового соглашения №769246. Скорость самолета проектируется порядка М=8
Фото: EC_STRATOFLY
На выставке Aerodays 2019 был представлен проект гиперзвукового самолета Stratofly для пассажирских и грузовых перевозок, получивший финансирование от исследовательской инновационной программы Horizon 2020 Европейского союза в рамках грантового соглашения №769246. Скорость самолета проектируется порядка М=8
Фото: EC_STRATOFLY
Реально летавшие гиперзвуковые пилотируемые системы
Всего их было создано две: обе — в США, обе — широко известные. И обе — специальные, не будучи в полной мере гиперзвуковым самолетом, с более баллистической, чем аэродинамической, природой полета. Одна — с экипажем из одного пилота, другая — из семи-восьми человек.
Экспериментальный гиперзвуковой самолет Х-15 решал исследовательские задачи. За девять лет, с 1959 по 1968 год, было выполнено 199 полетов, один закончился катастрофой. Примерно половина полетов выполнена с гиперзвуковой скоростью М>5, с максимально достигнутым значением М=6,7, на высоте 31 км. Самолет имел гиперзвуковой клиновидный профиль килей, тонкий острый профиль крыльев и стабилизаторов. И использовал гиперзвуковую подъемную силу для многих своих полетов.
Однако Х-15 поднимался на высоту старта не самостоятельно, а под брюхом стратегического бомбардировщика Б-52, отцепляясь от него на высоте 15 км и только тогда запуская свой двигатель. Который был ракетным: Х-15 являлся жидкостной ракетой с крыльями, очень близкой по параметрам (длине, диаметру корпуса, массе, тяге двигателя) к немецкой баллистической ракете «Фау-2». Разве что горючим у Х-15 был не спирт с водой, а жидкий аммиак. Двигатель работал меньше полутора минут, после чего шел полет по инерции: баллистический и/или гиперзвуковое планирование; весь полет занимал не более 15 минут. Х-15 был, по сути, аэробаллистической ракетой, только пилотируемой. При этом используя режим гиперзвукового планирования как основной в ряде полетов.
Второй стала космическая транспортная система Space Shuttle, 135 полетов, из них две катастрофы. Орбитальный корабль имел самолетную форму и при возвращении с орбиты выполнял самолетную посадку, заходя на полосу в режиме дозвукового планирования. Поэтому его аэродинамический облик в целом дозвуковой: затупленный нос, затупленные, округлые передние кромки крыльев и хвоста.
Но до дозвука шаттл снижался с космической высоты с начальной космической скоростью и решал две другие главные задачи: торможение и управление перегрузкой. Торможение шло аэродинамически, начинаясь при высоких гиперзвуковых значениях скорости. Угол атаки составлял 40 градусов — шаттл скорее парашютировал на гиперзвуке, чем планировал. Создаваемая низом корпуса и крыльев аэродинамическая подъемная сила растягивала снижение шаттла по атмосфере и его торможение, тем самым уменьшая текущую посадочную перегрузку до всего лишь 1,5 g.
Тупые дозвуковые передние кромки крыльев и округлый нос шаттла оказывали на гиперзвуковом режиме сильное тормозящее действие. На этих местах в потоке возникал прямой скачок уплотнения, самый сильный и характерный наибольшими газодинамическими потерями. Эти потери забирались из энергии движения шаттла, тормозя его. Поэтому говорить, что шаттл приспособлен к длительному гиперзвуковому полету, не приходится. Его гиперзвук был этапом торможения, а не перелетом в точку назначения. Это отражено в его не гиперзвуковых обводах. И не сверхзвуковых — на сверхзвуке задача шаттла заключалась в том же сверхзвуковом торможении, а не сверхзвуковом перелете к цели.
Мифическая американская гиперзвуковая «Аврора» так и не показала неопровержимого факта своего существования. Анонсируемые время от времени проекты пилотируемых гиперзвуковых самолетов и первых ступеней-носителей космических систем не доходят до сборки в металле. Длинный перечень их названий поэтому нет смысла приводить. Горизонты первых полетов новых гиперзвуковых самолетов отодвигаются в будущее не менее чем на 15–20 лет.
Принципиальный конкурент
И на этом рубеже времени гиперзвуковые самолеты с большой вероятностью встретят неожиданного прежде конкурента, который может оказаться гораздо перспективнее и практичнее. Речь идет о пассажирской суборбитальной баллистике. Появившись, она будет обладать рядом своих плюсов, которые обойдут проблематику гиперзвукового самолета. Пассажирский баллистический борт — это ракетный автобус на сотню человек, или роту бойцов. Его ракетные двигатели отработаны долгими рядами конструктивных поколений и на сегодня высокоэффективны. Они выводят борт на суборбитальную траекторию с межконтинентальной дальностью точки прибытия. Скорость его движения составит около 6–7 км/с. То есть в три раза быстрее гиперзвукового самолета.
В разы сократится и время полета. Путь из Лондона в Нью-Йорк или Кабул займет 25 минут. И то лишь из-за растягивания входа в атмосферу для снижения перегрузки; боеголовки проходят такую дальность за 21–22 минуты. Кроме того, баллистическая траектория эффективнее из-за коротких участков атмосферы и возможности очень быстро набрать крейсерскую скорость — три минуты, и поехали по суборбите. В то время как гиперзвуковому самолету гораздо дольше забираться на рабочую высоту, на дозвуке добираясь до первых 10 км. Там разгоняться до сверхзвука и подниматься еще на 25 км до рабочего потолка. Где уже разгоняться до крейсерской гиперзвуковой скорости.
Баллистический борт не погружен весь полет в сжимающие нагрузки обтекания и раскаленный поток, для него это лишь минутное состояние при входе в атмосферу. Поэтому вопрос теплозащиты можно решить привычными плитками. Балборт не требует взлетно-посадочной полосы, обходясь бетонированной площадкой. И не нуждается в разрешениях стран для прохода над ними, двигаясь выше национальных воздушных пространств.
Реализация такой пассажирской баллистики в металле уже готовится к первому баллистическому, в данном случае — орбитальному, полету. Starship компании SpaceX должен выходить на орбиту и садиться при возвращении, а также способен взять на борт сотню человек. Слегка не дотянув до орбитальной скорости, он пойдет по суборбитальной траектории межконтинентальной дальности. Если за несколько лет SpaceX отработает этот корабль так же, как отработала свою ныне рабочую лошадь Falcon9, то эра пассажирской баллистики может открыться неожиданно быстро. И многое в мире изменится.
Вместо заключения
С появлением пассажирского баллистического флота актуальность гиперзвуковых полетов резко понизится. В эпоху автомобилей не ездят для скорости на лошадях, пусть и самых быстрых. Резон двигаться на большие дальности по атмосфере останется для экономичных дозвуковых транспортных полетов и для сверхзвуковых специальных самолетов типа боевых. Гиперзвуковой пассажирский транспорт будет проигрывать дозвуку по экономичности, а баллистике — по скорости. В этих условиях гиперзвуковая авиация может оказаться тупиковой ветвью развития, появившись лишь парой типов самолетов в экспериментальных количествах. Занять крайне узкое, нишевое место при высоких затратах разработки неинтересно для возврата инвестиций.
Перспективы гиперзвуковых самолетов оказываются не столь хороши, как кажутся при чтении плюсов. Развитие техники течет несколькими руслами, как горная река в широкой долине. Одни русла могут оказаться быстрее, вбирая в себя больше течения, другие из-за этого мелеют и закрываются. И развитие гиперзвуковой авиации зависит не только от нее самой. Вероятно, уже ближайшие пять лет покажут, появятся ли фавориты и куда продвинутся сегодняшние гиперзвуковые проекты.