Гиперзвук. Это сколько?

Сначала стоит конечно определиться, гиперзвук – это сколько? Принято считать, что гиперзвуковая скорость, это скорость выше 5 М, то есть больше пяти чисел Маха, а если совсем просто, то это скорость в пять раз превышающая скорость звука.

Вам интересно сколько это в километрах в час? От 5380 км/ч до 6120 км/ч, в зависимости от параметров среды (для самолета — воздуха), то есть от плотности воздуха, которая разная на разных высотах полета. Так что, для простоты восприятия, все таки лучше пользоваться числами Маха. Если скорость воздушного судна превысила значение 5 М — это гиперзвуковая скорость.

Собственно почему именно 5 М? Значение 5 было выбрано потому, что при такой скорости начинают наблюдаться ионизация потока газа и другие физические изменения, что конечно влияет на его свойства.

Эти изменения особенно заметны для двигателя, обычные ТРД (турбореактивные двигатели) просто не могут работать на такой скорости, нужен принципиально иной двигатель, ракетный или прямоточный (хотя на самом деле он и не такой уж другой, просто в нем отсутствует компрессор и турбина, а свою функцию он выполняет так же: сжимает воздух на входе, смешивает его с топливом, сжигает в камере сгорания, и получает реактивную струю на выходе).

Фактически, прямоточный двигатель, это труба с камерой сгорания, очень просто и эффективно на большой скорости. Вот только у такого двигателя есть огромный недостаток, ему для работы нужна определенная начальная скорость (своего компрессора то нет, нечем сжимать воздух на малой скорости).

Важно замечание. Говорить о гиперзвуковой скорости можно только в случае достижения его в атмосфере. Если же аппарат (боевой блок межконтинентальной ракеты, сама ракета или спутник) двигаются вне атмосферы (в космосе, где сопротивление ничтожно мало), ни о какой гипер-скорости речи нет.

Например, межконтинентальная ракета, развивает скорость около 7 км/сек вне атмосферы, это примерно 25 200 километров в час! Но это не гиперзвук, это не в атмосфере.

История скорости

В 50-е годы шла борьба за достижения скорости звука. Когда инженеры и ученые поняли, как ведет себя самолет при скорости выше скорости звука и научились создавать летательные аппараты предназначенные для таких полетов, пришло время идти дальше. Заставить самолеты летать еще быстрее.

В 1967 году американский экспериментальный летательный аппарат X-15 достиг скорости 6,72 М (7274 км/ч). Он был оснащен ракетным двигателем и летал на высотах от 81 до 107 км (100 км, это линия Кармана, условная граница атмосферы и космоса). Поэтому, правильнее называть X-15 не самолетом, а ракетопланом. Взлететь самостоятельно он не мог, ему требовался самолет-разгонщик. Но все таки, это был гиперзвуковой полет. Причем, летали X-15 с 1962 по 1968 годы, а 7 полетов на X-15 совершил тот самый Нил Армстронг.

Стоит понимать, что полеты вне атмосферы, какими бы быстрыми они не были не корректно считать гиперзвуковыми, ведь плотность среды в которой движется летательный аппарат очень мала. Эффектов присущих сверхзвуковому или гиперзвуковому полету просто не будет.

В 1965 году YF-12 (прототип знаменитого SR-71) достиг скорости 3,331,5 км/ч, а в 1976 уже сам серийный SR-71 — 3,529,6 км/ч. Это «всего лишь» 3,2–3,3 М. Далеко не гиперзвук, но уже для полетов на этой скорости в атмосфере пришлось разрабатывать специальные двигатели, которые на малых скоростях работали в обычном режиме, а на высоких в режиме прямоточного двигателя, а для пилотов — специальные системы жизнеобеспечения (скафандры и системы охлаждения), так как самолет нагревался слишком сильно. Позднее, эти скафандры использовались для проекта Шаттл. Очень долгое время SR-71 являлся самым скоростным самолетом в мире (летать он перестал в 1999 году).

Советский Миг-25Р теоретически мог достичь скорости в 3,2 М, но эксплуатационная скорость ограничивалась значением 2,83 М.

В те же 60-е в США и СССР существовали проекты космических проектов X-20 «Dyna Soar» и «Спираль» соответственно. Для Спирали изначально предполагалось использование гиперзвукового самолета-разгонщика, потом сверхзвукового, а потом проект вообще закрыли. Та же судьба постигла и американский проект.

Вообще проекты именно гиперзвуковых летательных аппаратов того времени были связны с полетами вне атмосферы. Иначе и быть не может, на «малых» высотах слишком высока плотность и соответственно сопротивление, что приводит ко многим негативным факторам, которые в то время преодолеть не смогли.

Гиперзвук в настоящее время

За всеми перспективными исследованиями, как обычно стоят военные. В случае с гиперзвуковыми скоростями, это тоже имеет место. Сейчас исследования ведутся в основном в направлении космических аппаратов, гиперзвуковых крылатых ракет и так называемых гиперзвуковых боевых блоков. Теперь уже речь идет о «настоящем» гиперзвуке, полетах в атмосфере. Обратите внимание, работы по гиперзвуковым скоростям были в активной фазе в 60-70 годах, потом все проекты были закрыты.

Вернулись к скоростям выше 5 М только на рубеже 2000-х годов. Когда технологии позволили создавать эффективные прямоточные двигатели для гиперзвуковых полетов.

В 2001 первый полет совершил беспилотный летательный аппарат с прямоточным двигателем

Boeing X-43. Уже в 2014 он разогнался до скорости в 9,6 М (11 200 км/ч). Хотя проектировался X-43 для скоростей в 7 раз выше скорости звука. При этом рекорд был поставлен не в космосе, а на высоте всего 33 500 метров.

В 2009 году начались испытания прямоточного двигателя для крылатой ракеты компании Boeing X-51A Waverider. В 2013 году аппарат X-51A разогнался до гиперзвуковой скорости — 5,1 М на высоте 21 000 метров.

Аналогичные проекты на разных стадиях осуществляют и другие страны: Германия (SHEFEX), Великобритания (Skylon), Россия («Холод» и «Игла»), Китай (WU-14) и даже Индия (Брамос), Австралия (ScramSpace) и Бразилия (14-X).

Интересный проект летательного аппарата для полета с гиперзвуковой скоростью в атмосфере, американский Falcon HTV-2, считается провальным. Предположительно, Falcon смог разогнаться до огромной для атмосферы скорости — 23 М. Но только предположительно, так как все экспериментальные аппараты просто напросто сгорели.

Все перечисленные летательные аппараты (кроме Skylon) не могут самостоятельно набрать необходимую для работы прямоточного двигателя скорость и используют разные ускорители. Но Skylon пока только проект не сделавший пока ни единого испытательного полета.

Далекое будущее гиперзвука

Существуют и гражданские проекты гиперзвуковых самолетов для перевозки пассажиров. Это европейские SpaceLiner с одним типом двигателя и ZEHST который должен использовать целых 3 типа двигателя на разных режимах полета. Также над своими проектами работают и другие страны.

Такие лайнеры предположительно смогут доставить пассажиров из Лондона в Нью-Йорк всего лишь за час. Полетать на таких самолетах мы сможем не раньше 40-х, 50-х годов 21 века. А пока гиперзвуковые скорости остаются уделом военных, либо космических аппаратов.

Еще истории:

• Сверхзвуковая скорость и число М
• Термоэлектричество
• Как работает ионный двигатель