День борьбы за ликвидацию ядерного оружия. Международный день борьбы за полную ликвидацию ядерного оружия . Зачем нужны международные дни
Гиперзвуковым называют летательный аппарат, способный осуществлять полёт с гиперзвуковой скоростью.
Что такое гиперзвуковая скорость
В аэродинамике часто пользуются величиной, которая показывает отношение скорости движения потока или тела к скорости звука. Это отношение называют числом Маха, по имени австрийского учёного Эрнста Маха, который заложил основы аэродинамики сверхзвуковых скоростей.
где М – число Маха;
u – скорость воздушного потока или тела,
c s – скорость распространения звука.
В атмосфере при обычных условиях скорость звука равна приблизительно 331 м/с. Скорость тела в 1 Мах соответствует скорости звука. Сверхзвуковой называют скорость в диапазоне от 1 до 5 М. Если же она превышает 5 М, то это уже гиперзвуковой диапазон. Это разделение условное, так как чёткой границы между сверхзвуковой и гиперзвуковой скоростью не существует. Так договорились считать в 70-е годы ХХ столетия.
Из истории авиации
"Зильбертфогель"
Впервые создать гиперзвуковой самолёт пытались ещё во время Второй мировой войны в нацистской Германии. Автором этого проекта, который назывался «Зильбертфогель » (серебряная птица) был австрийский учёный Ойген Зенгер. Самолёт имел и другие названия: «Amerika Bomber », «Orbital-Bomber », «Antipodal-Bomber », «Atmosphere Skipper », «Ural-Bomber ». Это был бомбардировщик-ракетоплан, который мог нести до 30 тонн бомб. Он предназначался для бомбардировки США и промышленных районов России. К счастью, в те времена на практике такой самолёт построить было невозможно, и он остался только в чертежах.
North American X-15
В 60-е годы ХХ века в США был создан первый в истории самолёт-ракетоплан Х-15, основной задачей которого было изучение условий полёта на гиперзвуковых скоростях. Этот аппарат смог преодолеть высоту 80 км. Рекордом считался полёт Джо Уокера, выполненный в 1963 г., когда была достигнута высота 107,96 км и скорость 5,58 М.
Х-15 был подвешен под крылом стратегического бомбардировщика «Б-52». На высоте 15 км он отделился от самолёта-носителя. В этот момент включился его собственный жидкостный ракетный двигатель. Он проработал 85 секунд и отключился. К этому времени скорость самолёта достигла 39 м/с. В самой высокой точке траектории (апогее) аппарат был уже за пределами атмосферы и находился в невесомости почти 4 минуты. Пилот провёл запланированные исследования, с помощью газовых рулей направил самолёт в атмосферу и вскоре приземлился. Рекорд высоты, достигнутый Х-15, продержался почти 40 лет, до 2004 г.
X-20 Dyna Soar
С 1957 по 1963 г.г. по заказу военно-воздушных сил США компанией Boeing проводились разработки пилотируемого космического перехватчика-разведчика-бомбардировщика Х-20. Программа называлась X-20 Dyna-Soar . На орбиту на высоту 160 км Х-20 должна была выводить ракета-носитель. Скорость самолёта планировалась немного ниже первой космической, чтобы он не стал спутником Земли. С высоты самолёт должен был «нырять» в атмосферу, снижаясь до 60-70 км, и проводить либо фотографирование, либо бомбометание. Затем снова поднимался, но уже на высоту, меньшую первоначальной, и снова «нырял» ещё ниже. И так до тех пор, пока не приземлялся на аэродроме.
На практике было изготовлено несколько макетов Х-20, подготовлены пилоты-астронавты. Но по ряду причин программу свернули.
Проект «Спираль»
В ответ на программу X-20 Dyna-Soar в 1960-е г.г. в СССР был начат проект «Спираль». Это была принципиально новая система. Предполагалось, что мощный самолёт-разгонщик с воздушно-реактивными двигателями, весом в 52 т и длиной 28 м, разгоняется до скорости 6 М. С его «спины» на высоте 28-30 км стартует пилотируемый орбитальный самолёт весом 10 т и длиной 8 м. Оба самолёта, взлетающие с аэродрома вместе, могли каждый в отдельности осуществлять самостоятельную посадку. Кроме того, самолёт-разгонщик с его гиперзвуковой скоростью планировали использовать ещё и как пассажирский авиалайнер.
Так как для создания такого гиперзвукового самолёта-разгонщика требовались новые технологии, то в проекте предусматривалась возможность использовать не гиперзвуковой, а сверхзвуковой самолёт.
Вся система разрабатывалась в 1966 г. в конструкторском бюро ОКБ-155 А.И. Микояна. Два варианта модели прошли полный цикл аэродинамических исследований в центральном аэродинамическом институте им. профессора Н.Е. Жуковского в 1965 – 1975 г.г. Но создать самолёт всё-таки не получилось. И эта программа, как и американская, была свёрнута.
Гиперзвуковая авиация
К началу 70-х гг. ХХ века полёты на сверхзвуковых скоростях стали обыденным явлением для военных самолётов. Появились и сверхзвуковые пассажирские самолёты. Воздушно-космические самолёты могли проходить плотные слои атмосферы с гиперзвуковыми скоростями.
В СССР работы над гиперзвуковым самолётом начались в ОКБ Туполева в середине 70-х годов. Проводилось исследование и проектирование самолёта, способного развивать скорость до 6 М (ТУ-260) с дальностью полёта до 12 000 км, а также гиперзвукового межконтинентального самолёта ТУ-360. Его дальность полёта должны была достигать 16 000 км. Был даже подготовлен проект пассажирского гиперзвукового самолёта, рассчитанного на полёт на высоте 28-32 км со скоростью 4,5 – 5 М.
Но чтобы самолёты могли летать на сверхзвуковых скоростях, их двигатели должны иметь черты и авиационной, и космической техники. Существующие воздушно-реактивные двигатели (ВРД), использовавшие атмосферный воздух, имели ограничения по температуре и могли использоваться на самолётах, скорости которых не превышали 3 М. А ракетные двигатели должны были нести большой запас топлива на борту и не годились для продолжительных полётов в атмосфере.
Оказалось, что наиболее рациональным для гиперзвукового самолёта является прямоточный воздушно- реактивный двигатель (ПВРД), в котором нет вращающихся частей, в комбинации с турбореактивным двигателем (ТРД) для разгона. Предполагалось, что для полётов с гиперзвуковыми скоростями наиболее подходит ПВРД на жидком водороде. А разгонный двигатель - это ТРД на керосине или жидком водороде.
Впервые прямоточным воздушно - реактивным двигателем был оснащён беспилотный аппарат Х-43А, который, в свою очередь, был установлен на крылатой ракете-носителе «Pegasus».
29 марта 2004 г. в Калифорнии поднялся в воздух бомбардировщик Б-52. Когда он достиг высоты 12 км, с него стартовал Х-43А. На высоте 29 км он отделился от ракеты-носителя. В этот момент запустился его собственный ПВРД. Он проработал всего 10 секунд, но смог развить гиперзвуковую скорость в 7 М.
В данный момент Х-43А является самым быстрым самолётом в мире. Он способен развивать скорость до 11230 км/час и может подниматься на высоту до 50 км. Но это всё-таки беспилотный летательный аппарат. Но недалёк тот час, когда появятся гиперзвуковые самолёты, на которых смогут летать и обычные пассажиры.
Общие сведения
Полет на гиперзвуковой скорости является частью сверхзвукового режима полета и осуществляется в сверхзвуковом потоке газа. Сверхзвуковой поток воздуха коренным образом отличается от дозвукового и динамика полета самолета при скоростях выше скорости звука (выше 1,2 М) кардинально отличается от дозвукового полета (до 0,75 М, диапазон скоростей от 0,75 до 1,2 М называется трансзвуковой скоростью).
Определение нижней границы гиперзвуковой скорости обычно связано с началом процессов ионизации и диссоциации молекул в пограничном слое (ПС) около аппарата, который движется в атмосфере, что начинает происходить примерно при 5 М. Также данная скорость характеризуется тем, что прямоточный воздушно-реактивный двигатель («ПВРД ») с дозвуковым сгоранием топлива («СПВРД ») становится бесполезным из-за чрезвычайно высокого трения, которое возникает при торможении проходящего воздуха в двигателе этого типа. Таким образом, в гиперзвуковом диапазоне скоростей для продолжения полета возможно использование только ракетного двигателя или гиперзвукового ПВРД (ГПВРД) со сверхзвуковым сгоранием топлива.
Характеристики потока
В то время как определение гиперзвукового потока (ГП) достаточно спорно по причине отсутствия четкой границы между сверхзвуковым и гиперзвуковым потоками, ГП может характеризоваться определенными физическими явлениями, которые уже не могут быть проигнорированы при рассмотрении, а именно:
Тонкий слой ударной волны
По мере увеличения скорости и соответствующих чисел Маха, плотность позади ударной волны (УВ) также увеличивается, что соответствует уменьшению объема сзади от УВ благодаря сохранению массы. Поэтому, слой ударной волны, то есть объем между аппаратом и УВ становится тонким при высоких числах Маха, создавая тонкий пограничный слой (ПС) вокруг аппарата.
Образование вязких ударных слоев
Часть большой кинетической энергии, заключенной в воздушном потоке, при М > 3 (вязкое течение) преобразуется во внутреннюю энергию за счет вязкого взаимодействия. Увеличение внутренней энергии реализуется в росте температуры . Так как градиент давления, направленный по нормали к потоку в пределах пограничного слоя, приблизительно равен нулю, существенное увеличение температуры при больших числах Маха приводит к уменьшению плотности. Таким образом, ПС на поверхности аппарата растет и при больших числах Маха сливается с тонким слоем ударной волны вблизи носовой части, образуя вязкий ударный слой.
Появление волн неустойчивости в ПС, не свойственных до- и сверхзвуковым потокам
Высокотемпературный поток
Высокоскоростной поток в лобовой точке аппарата (точке или области торможения) вызывает нагревание газа до очень высоких температур (до нескольких тысяч градусов). Высокие температуры, в свою очередь, создают неравновесные химические свойства потока, которые заключаются в диссоциации и рекомбинации молекул газа, ионизации атомов, химическим реакциям в потоке и с поверхностью аппарата. В этих условиях могут быть существенны процессы конвекции и радиационного теплообмена .
Параметры подобия
Параметры газовых потоков принято описывать набором критериев подобия , которые позволяют свести практически бесконечное число физических состояний в группы подобия и которые позволяют сравнивать газовые потоки с разными физическими параметрами (давление, температура, скорость и пр.) между собой. Именно на этом принципе основано проведение экспериментов в аэродинамических трубах и перенос результатов этих экспериментов на реальные летательные аппараты, несмотря на то, что в трубных экспериментах размер моделей, скорости потока, тепловые нагрузки и пр. могут сильно отличаться от режимов реального полёта, в то же время, параметры подобия (числа Маха, Рейнольдса, Стантона и пр.) соответствуют полётным.
Для транс- и сверхзвукового или сжимаемого потока, в большинстве случаев таких параметров как число Маха (отношение скорости потока к местной скорости звука) и Рейнольдса достаточно для полного описания потоков. Для гиперзвукового потока данных параметров часто бывает недостаточно. Во-первых, описывающие форму ударной волны уравнения становятся практически независимыми на скоростях от 10 М. Во-вторых, увеличенная температура гиперзвукового потока означает, что эффекты, относящиеся к неидеальным газам становятся заметными.
Учет эффектов в реальном газе означает бо́льшее количество переменных, которые требуются для полного описания состояния газа. Если стационарный газ полностью описывается тремя величинами: давлением , температурой, теплоёмкостью (адиабатическим индексом), а движущийся газ описывается четырьмя переменными, которая включает еще скорость , то горячий газ в химическом равновесии также требует уравнений состояния для составляющих его химических компонентов, а газ с процессами диссоциации и ионизации должен еще включать в себя время как одну из переменных своего состояния. В целом это означает, что в любое выбранное время для неравновесного потока требуется от 10 до 100 переменных для описания состояния газа. Вдобавок, разреженный гиперзвуковой поток (ГП), обычно описываемый в терминах чисел Кнудсена , не подчиняются уравнениям Навье-Стокса и требуют их модификации. ГП обычно категоризируется (или классифицируется) с использованием общей энергии, выраженной с использованием общей энтальпии (мДж /кг), полного давления (кПа) и температуры торможения потока (К) или скорости (км/с).
Идеальный газ
В данном случае, проходящий воздушный поток может рассматриваться как поток идеального газа. ГП в данном режиме все еще зависит от чисел Маха и моделирование руководствуется температурными инвариантами , а не адиабатической стенкой , что имеет место при ме́ньших скоростях. Нижняя граница этой области соответствует скоростям около 5 М, где СПВРД с дозвуковым сгоранием становятся неэффективными, и верхняя граница соответствует скоростям в районе 10-12 М.
Идеальный газ с двумя температурами
Является частью случая режима потока идеального газа с большими значениями скорости, в котором проходящий воздушный поток может рассматриваться химически идеальным, но вибрационная температура и вращательная температура газа должны рассматриваться отдельно, что приводит к двум отдельным температурным моделям. Это имеет особое значение при проектировании сверхзвуковых сопел , где вибрационное охлаждение из-за возбуждения молекул становится важным.
Диссоциированный газ
Режим доминирования лучевого переноса
На скоростях выше 12 км/с передача тепла аппарату начинает происходить в основном через лучевой перенос, который начинает доминировать над термодинамическим переносом вместе с ростом скорости. Моделирование газа в данном случае подразделяется на два случая:
- оптически тонкий - в данном случае предполагается, что газ не перепоглощает излучение, которое приходит от других его частей или выбранных единиц объема;
- оптически толстый - где учитывается поглощение излучения плазмой, которое потом переизлучается в том числе и на тело аппарата.
Моделирование оптически толстых газов является сложной задачей, так как из-за вычисления радиационного переноса в каждой точке потока объем вычислений растет экспоненциально вместе с ростом количества рассматриваемых точек.
10-07-2015, 11:34
Что стоит за слухами о создании в России нового сверхмощного оружия
Военно-аналитический центр Janes Information Group (США) опубликовал доклад об успешном испытании Россией нового гиперзвукового летательного аппарата Ю-71 (Yu-71 в англоязычной транскрипции).
Испытания, по версии американцев, были проведены еще в феврале 2015 года. Пуск якобы состоялся с полигона Домбаровский под Оренбургом. Их военные аналитики сообщают совершенно секретные и леденящие кровь простого обывателя сведения.
Сообщается, что Ю-71 - часть российского секретного проекта 4202. За океаном определили, что скорость нашей гиперзвуковой ракеты - 11 200 км/час. Маневрирующий с такой скоростью объект невозможно сбить - система ПРО бессильна против таких скоростей. К тому же Ю-71 может нести ядерный заряд.
По мнению американских аналитиков, скоро Россия получит возможность наносить высокоточные удары по выбранным целям. При этом даже самые защищенные из них будут гарантированно поражаться одной ракетой. В США предполагают, что уже через 5 лет развертывание группировки российских гиперзвуковых ракет начнется под тем же Оренбургом, в дислоцированном там Домбаровском полку РВСН, а всего с 2020 по 2025 год в строй введут 24 боевых аппарата, созданных на базе Ю-71. Также из документа следует, что к этому времени Россия создаст новую тяжелую межконтинентальную баллистическую ракету "Сармат", способную нести Ю-71.
Утверждается, что Москве гиперзвуковое оружие необходимо, чтобы получить рычаги воздействия в ходе переговоров с Вашингтоном и ограничить эффективность американской системы ПРО.
До обнародования этой сенсации сообщалось, что военные КНР тоже провели (причем очередное) успешное испытание ударного гиперзвукового летательного аппарата WU-14, способного прорывать систему ПРО США и наносить ядерный удар.
В общем, обложили американцев со всех сторон: с Запада - Китай, с Востока и Севера - Россия. И жаждут они одного - порвать американскую и европейскую ПРО, как Тузик грелку, чтобы стереть с лица земли все стратегические объекты Пентагона. Логика этого ужаса незамысловата: Вашингтон, дай новые миллиарды на разработку собственных гиперзвуковых ракет, а то ведь останемся неприкрытыми, как библейский Адам.
В США работы над гиперзвуковыми ракетами ведутся с не меньшей, а то и большей интенсивностью, чем в России и Китае, вместе взятых. И с очень хорошим финансовым обеспечением.
По всей видимости, каких-то прорывных успехов достичь не удалось, а выделенные из бюджета миллиарды уже потрачены. Как быть? Надо запустить страшилку и обеспечить себе безграничное финансирование. Что и было сделано.
Сама по себе идея создания ракет, способных летать в 5-7, а то и в десятки раз быстрее скорости звука, всегда привлекала военных. Такие аппараты обладают столь мощной кинетической энергией, что способны причинить любому объекту противника самый серьезный урон и без боевой части. А уж с ядерной боеголовкой...
В принципе разогнать боеголовку, выведенную на околоземную орбиту, до гиперзвука и направить ее вниз не очень сложно. Проблема в точном наведении, так как управлять объектом, мчащимся со скоростью свыше 10 000 км/час, пока невозможно. В том числе и потому, что при резком изменении прямолинейной траектории полета боевая часть может просто разрушиться из-за огромных перегрузок.
А построить работоспособный аппарат, способный летать с гиперзвуковой скоростью, да еще и маневрировать в атмосфере, неимоверно сложно.
Дело не только в перегрузках, но и в особенностях горения топлива, огромном воздушном трении о поверхность летящего аппарата, скачках давления на различных поверхностях гиперзвуковой крылатой ракеты.
Тем не менее работы в этом направлении ведутся на протяжении уже нескольких десятков лет.
Ближе всех к практическому созданию крылатой гиперзвуковой ракеты подошли в СССР. Гиперзвуковой экспериментальный летательный аппарат (ГЭЛА), или Х-90, был создан в МКБ "Радуга" в конце 1980-х. После развала СССР проект в 1992 году закрыли. Позже аппарат ГЭЛА несколько раз показали на авиакосмических салонах МАКС в Жуковском.
По конструкции это была крылатая ракета с раскладным треугольным крылом и фюзеляжем, почти полностью отданным под прямоточный двигатель. При стартовой массе 15 тонн ракета Х-90, как утверждали ее разработчики, могла разгоняться до скорости не менее М=4,5 - это минимальное значение гиперзвука. По достоверным, но так официально и не подтвержденным данным, ракету Х-90 в конце 1980-х удачно пустили с самолета-носителя, и она достигла расчетной скорости. Тем не менее в дальнейшем этот проект финансировать не стали и саму тему гиперзвука закрыли более чем на 10 лет.
За океаном создание гиперзвуковых летательных аппаратов шло параллельно с работами в Советском Союзе. Правда, без особых успехов. Прорывным стал проект Boeing X-43. Внешне американский летательный аппарат чем-то напоминал закрытый советский Х-90. В 2001 году этот гиперзвуковой беспилотник совершил свой первый полет, впрочем, неудачный. Второй полет, как считается, прошел штатно. Сверхскорости не достигли, но отработали систему управления. А вот уже на третьем пуске, в ноябре 2004-го, беспилотник Х-43 установил рекорд, разогнавшись до скорости 11 200 км/ч. Это выше, чем достигал наш Х-90.
Развитием экспериментального проекта X-43 в США стала ракета X-51. Она еще больше походит на наш так и не реализованный проект ГЭЛА. Утверждается, что именно Х-51 может стать одним из основных вооружений американской стратегической авиации. По официальным данным, ракета X-51 должна иметь скорость полета порядка М=6-7, что близко к давним показателям нашей Х-90.
Такие скорости, как считают эксперты, достаточны для возможного использования ракет в системе быстрого глобального удара. В 2010 году состоялся первый пуск и полет X-51.