Гіперзвукова швидкість

Спочатку варто  визначитися, гіперзвук — це скільки? Прийнято вважати, що гіперзвукова швидкість, це швидкість вище 5 М, тобто більше п’яти чисел Маха.

Вам цікаво скільки це в кілометрах на годину? Від 5380 км/год до 6120 км/год, залежно від параметрів середовища (для літака — середовище це повітря), тобто від щільності повітря, яке є різним на різних висотах польоту.

Так що, для простоти сприйняття, все-таки краще скористатися числами Маха. Якщо швидкість повітряного судна перевищила 5 М — це гіперзвукова швидкість.

X-51 перша гіперзвукова ракета

Гіперзвукова швидкість

Власне чому саме 5 М? Значення 5 було обрано тому, що за такої швидкості починає спостерігатися іонізація потоку газу та інші фізичні явища, що, звичайно, впливає на його властивості повітря та політ у ньому.

Ці зміни особливо помітні для двигуна, звичайні ТРД (турбореактивні двигуни) просто не можуть працювати на такій швидкості, потрібен принципово інший двигун, ракетний або прямоточний.

Прямоточний двигун, насправді і не такий вже інший, просто в ньому відсутні компресор і турбіна, а свою функцію він виконує так само: стискає повітря на вході, змішує його з паливом, спалює в камері згоряння, і отримує реактивну тягу.

Фактично, прямоточний двигун, це труба з камерою згоряння, дуже просто і ефективно на великій швидкості. Ось тільки такий двигун має величезний недолік, йому для роботи потрібна певна початкова швидкість (свого компресора то немає, нічим стискати повітря на малій швидкості).

Важливе зауваження. Говорити про гіперзвукову швидкість можна лише у випадку досягнення її в атмосфері. Якщо ж апарат (бойовий блок міжконтинентальної ракети, сама ракета чи супутник) рухаються поза атмосферою (у космосі, де опір мізерно мало), ні про яку гіперзвукову швидкість не йдеться.

Наприклад, міжконтинентальна ракета розвиває швидкість близько 7 км/сек поза атмосферою, це приблизно 25 200 кілометрів на годину! Але це не гіперзвук, це не в атмосфері.

От чому “гіперзвукова” ракета “Кинжал” не може вважатися гіперзвуковою. Вона, звичайно, розганяється до гіперзвукової швидкості, але робить це не в атмосфері, а поза її межами.

У “Кинджала” немає гіперзвукового двигуна, який може працювати при швидкості більше 5 М, адже це балістична ракета, яка просто падає на землю з космосу. Як і будь-яка інша балістична ракета у світі.

Правильно називати “Кинджал” — аеробалістичною ракетою. “Аеро” тому, що не запускається з літака.

Наприклад, німецька Фау-2 піднімалася на висоту більше 100 км (все те вище 100 кілометрів вважається космосом) і звідти падала, розганяючись до максимальної швидкості 5900 км/год *. Але ніхто ніколи не називав балістичну ракети гіперзвуковою. Просто тому, що при вході в атмосферу починається її гальмування, а двигун ракети вже не працює.

*На висоті 5 км, це якраз і була б гіперзвукова швидкість. Але річ у тому, що така швидкість досягалася на висоті близько 50-70 кілометрів, а далі починала падати через гальмування об атмосферу.

Що такого складного у гіперзвуку

Головна проблема з якою борються інженери для подолання порога гіперзвуку, це нагрівання. Адже рухаючись в атмосфері зі швидкістю більше 5 махів, будь-який апарат дуже сильно нагріватиметься.

Для балістичних ракет та космічних кораблів ця проблема вирішується нанесенням спеціального покриття. Але такі апарати знаходяться в атмосфері недовго і не встигають розігрітися настільки сильно, щоб це стало проблемою.

У випадку з атмосферним польотом, який займатиме аж ніяк не секунди, потрібні нові жароміцні та жаростійкі матеріали.

Наприклад, знаменитий літак SR-71 літав на швидкості близько 3 М, до гіперзвукової швидкості було дуже далеко, але корпус його деяких місцях розігрівався до 315 градусів Цельсія. Це дуже багато, якщо врахувати, що сталеві сплави втрачають міцність вже при 250 градусах, а алюмінієві ще раніше. Тому більшість конструкції SR-71 робилася з титанових сплавів, саме через високий нагрівання в польоті.

На гіперзвуковій швидкості SR-71 просто згорів би. За аналогією з звуковим бар’єром застосовується термін “тепловий бар’єр”. Це такий діапазон швидкостей, коли ігнорувати нагрівання літального апарату вже ніяк не вийде і потрібно вживати заходів: спеціальні матеріали та конструктивні хитрощі для охолодження конструкції.

Історія гіперзвукової швидкості

У 50-ті роки йшла боротьба за досягнення швидкості звуку. Коли інженери та вчені зрозуміли, як поводиться літак при швидкості вище швидкості звуку і навчилися створювати літальні апарати, призначені для таких польотів, настав час йти далі. Змусити літаки літати ще швидше.

Ракетоплан X-15

У 1967 році американський експериментальний літальний апарат X-15 досяг швидкості 6,72 М (7274 км/год). Він був оснащений ракетним двигуном і літав на висотах від 81 до 107 км (100 км, це лінія Кармана, умовна межа атмосфери та космосу).

Тому, правильніше називати X-15 не літаком, а ракетопланом. Злетіти самостійно він не міг, йому був потрібний літак-розгінник. Але все ж таки, це був гіперзвуковий політ. Причому літали X-15 з 1962 по 1968 роки, а 7 польотів на X-15 здійснив той самий Ніл Армстронг.

Варто нагадати, що польоти поза атмосферою, якими б швидкими вони були вважати гіперзвуковими, адже щільність середовища у якій рухається літальний апарат дуже мала. Ефектів властивих надзвуковому або гіперзвуковому польоту просто не буде.

У 1965 році YF-12 (прототип знаменитого SR-71) досяг швидкості 3 331,5 км/год, а в 1976 вже сам серійний SR-71 – 3 529,6 км/год. Це “лише” 3,2–3,3 М.

Пізніше ці скафандри використовувалися для проекту Шаттл. Дуже довгий час SR-71 був найшвидшим літаком у світі (літати він перестав у 1999 році).

SR-71 та пілоти в скафандрах

Радянська Міг-25Р теоретично міг досягти швидкості в 3,2 М, але експлуатаційна швидкість обмежувалася значенням 2,83 М.

У ті ж 60-ті в США та СРСР існували проекти космічних проектів X-20 «Dyna Soar» і «Спіраль» відповідно. Для Спіралі спочатку передбачалося використання гіперзвукового літака-розгонника, потім надзвукового, потім проект взагалі закрили. Та сама доля спіткала й американський проект.

Взагалі проекти саме “гіперзвукових” літальних апаратів того часу були зв’язані з польотами поза атмосферою. Інакше й бути не може, на “малих” висотах занадто висока щільність і, відповідно, опір, що призводить до багатьох негативних факторів, які на той час подолати не змогли. Гіперзвук зараз

За всіма перспективними дослідженнями, зазвичайно стоять військові. У випадку з гіперзвуковими швидкостями, це теж має місце.

Зараз дослідження ведуться в основному в напрямку космічних апаратів, гіперзвукових крилатих ракет і так званих гіперзвукових бойових блоків. Тепер уже йдеться про “справжнє” гіперзвук, польоти в атмосфері. Зверніть увагу, роботи з гіперзвукових швидкостей були в активній фазі у 60-70 роках, потім усі проекти були закриті.

Повернулися до швидкостей вище 5 М тільки на рубежі 2000-х років. Коли технології дозволили створювати ефективні прямоточні двигуни для гіперзвукових польотів.

У 2001 перший політ здійснив безпілотний літальний апарат із прямоточним двигуном.

Boeing X-43. Вже в 2014 році він розігнався до швидкості в 9,6 М (11 200 км/год). Хоча проектувався X-43 для швидкостей у 7 разів вище за швидкість звуку. При цьому рекорд був поставлений не в космосі, а на висоті лише 33 500 метрів.

X-43 на фото виглядає маленьким чорним трикутником, прикріпленим до розгінної ракети.

Boeing X-51A Waverider

У 2009 році почалися випробування прямоточного двигуна для крилатої ракети компанії Boeing X-51A Waverider. 2013 року апарат X-51A розігнався до гіперзвукової швидкості — 5,1 М на висоті 21 000 метрів. Політ тривав 6 хвилин.

Цікавий проект літального апарату для польоту з гіперзвуковою швидкістю в атмосфері, американський Falcon HTV-2, вважається провальним. Імовірно, Falcon зміг розігнатися до величезної для атмосфери швидкості — 23 М. Але тільки ймовірно, оскільки всі експериментальні апарати просто згоріли.

Рекордний Falcon HTV-2 виглядає дуже просто

Всі перераховані літальні апарати (крім Skylon) не можуть самостійно набрати необхідну для роботи прямоточного двигуна швидкість і використовують різні прискорювачі. Але Skylon поки що тільки проект не зробив поки що жодного випробувального польоту.

Правильна гіперзвукова ракета

У 2021 році в DARPA стартував проект Hypersonic Air-breathing Weapon Concept (HAWC). Це саме те, що дійсно можна називати гіперзвуковою ракетою. 2022 року тестовий політ завершився успішно.

Ракета HAWC розігналася до швидкості 6100 км/год на висоті 18 кілометрів і пролетіла 560 кілометрів у горизонтальному польоті. Це і є справжня гіперзвукова швидкість. Чесний результат досягнутий у горизонтальному польоті з використанням гіперзвукового двигуна.

На висоті 18 км швидкість 6100 кілометрів на годину відповідає числу Маха 5,7 — тобто більш ніж у 5 разів швидше за звук.

Планується, що отримані результати будуть використані в проекті Hypersonic Attack Cruise Missile (HACM), тобто для створення серійної гіперзвукової ракети. Платформою для її запуску буде винищувач F-15EX. Саму ракету випускатиме компанія в Raytheon, а двигун для неї в Northrop Grumman.

Далеке майбутнє гіперзвуку

Існують і цивільні проекти гіперзвукових літаків для перевезення пасажирів. Це європейські SpaceLiner з одним типом двигуна і ZEHST який повинен використовувати цілих 3 типи двигуна на різних режимах польоту. Також над своїми проектами працюють інші країни.

Такі лайнери імовірно зможуть доставити пасажирів з Лондона до Нью-Йорка лише за годину. Політати такими літаками ми зможемо не раніше 40-х, 50-х років 21 століття. А поки що гіперзвукові швидкості залишаються долею військових, або космічних апаратів.