Самое важное. Самое полезное. Самое интересное...
Loading...

Хороший самолёт должен быть мечтой

23 февраля 2015

Оригинал взят у alex_anpilogov

Zilbervogel

На заглавной картинке этой статьи — эскизный рисунок немецкого гиперзвукового самолёта времён Второй мировой войны, который носил романтическое название «Серебряная птица» (Zilbervogel). Хотя по факту был отнюдь не сверхбыстрым пассажирским самолётом, а межконтинентальным гиперзвуковым бомбардировщиком, который в проекте должен был иметь возможность безнаказанно бомбить американский Манхэттен.

Тогда, в середине 1940-х годов, гитлеровская Германия, казалось, заглянула «за горизонт» событий, предвосхитив и даже отчасти сумев реализовать в металле массу прорывных технических концепций, несколько из которых определили потом облик второй половины ХХ века, а парочке, возможно, предстоит быть и новыми технологическими прорывами века ХХI-го.

И «Серебряная птица», безусловно, была одной из таких концепций мечты.

«Серебряная Птица» являлась первым достаточно детально проработанным проектом суборбитального глобального бомбардировщика.

Взлетать «Птица» должна была с рельсовой эстакады, на которой была установлена стартовая катапульта. Сама эстакада была наклонной, длиной более 3 километров.

После запуска из катапульты «Серебряная птица» дальше разгонялась на стартовой тележке, которая приводилась в движение уже собственными твердотопливными ускорителями, вместе с установленным на них самолётом. После 10 секунд разгона скорость бомбардировщика на стартовой тележке должна была составлять около 500 м/с. Нетрудно посчитать, что перегрузка бы при этом составила около 5g, что и задавало такой циклопический размер стартовой эстакады, но и позволяло оставить бомбардировщик пилотируемым, что было категорически важно в 1940-е годы.
После этого срабатывали пироболты, бомбардировщик отделялся бы от тележки и, набирая высоту, включал свой собственный ракетный двигатель через 36 секунд после старта, на расстоянии около 12 км от места взлёта. Работа собственного ЖРД самолёта должна была продолжаться около 6 минут, вплоть до выработки запасов топлива.
Конечная скорость самолёта составила бы при этом около 6,5 км/c (около 21М), что позволило бы «Серебряной птице» подняться намного выше линии Кармана и достичь в перигее высоты около 145 километров.

original

В дальнейшем, согласно замыслу создателя «Зилбервогеля», Ойгена Зенгера, гиперзвуковой самолёт должен был несколько раз осуществить «нырок» в атмосферу Земли, постепенно уменьшая свою гиперзвуковую скорость.
При этом, имея собственный вес около 100 тонн, «Серебряная птица», по расчётам, должна была нести до 30 тонн бомб. Вес бомбовой нагрузки зависел от расстояния, при расчётном расстоянии в 6500 км до Нью-Йорка бомбовая нагрузка составляла бы около 6 тонн.

sangant3
Путь «Серебряной птицы» в атмосфере Земли. Первое снижение уже позволяло бомбить Урал, второе - Нью-Йорк.

Согласно послевоенным расчётам, аппарат Зенгера в принципе не пережил бы уже первого входа в атмосферу, как наивно предполагал изобретатель, и был бы разрушен тепловым ударом от торможения ещё в верхних слоях атмосферы.

Собственная масса аппарата, в оригинальном расчёте составлявшая около 10 тонн, за счёт дополнительной теплозащиты должна была бы быть утроена, что снизило бы полезную нагрузку до 10 тонн (вместо изначальных тридцати) и практически бы исключила доставку полезного груза при следующих заходах «Зилбервогеля» в земную атмосферу, превратив его из грозного бомбардировщика всего лишь в сверхскоростной высотный разведчик.
Однако, испытать это на собственом опыте Зенгеру не довелось: крах Третьего Рейха похоронил проект «Серебряной птицы» точно также, как и закончил массу других работ над гитлеровским «оружием возмездия».

Но семена идеи высотного гиперзвукового полёта были посеяны в умах — и вскорости уже взошли в проектах уже совсем других проектантов и конструкторов.

И — первый проект гиперзвукового стратегического бомбардировщика не заставил себя ждать. Он появился уже в 1947 году в СССР:

sovrabo

Во многом концепт советского суборбитального бомбардировщика базировался на идеях Зенгера.

В научно-техническом отчете РНИИ "О силовой установке стратосферного сверхскоростного самолета" за 1947 год рассматривается принципиальная возможность создания боевого самолета с комбинированной двигательной установкой.

В проекте "бомбардировщика РНИИ" было предложено вести проработку перспективного самолета-бомбардировщика с комбинированной силовой установкой, включающей ЖРД и прямоточные воздушно-реактивные двигатели. Тогда о механике горения топлива в ПВРД было известно катастрофически мало, что и предопределило то, что в проекте "бомбардировщика РНИИ" для начального разгона использовались сбрасываемые ПВРД, а потом самолёт по плану должен был включать собственные ЖРД. Сегодня, с высоты современных знаний о специфике работы ПВРД, эта схема кажется наивной и неосуществимой, но тогда, в 1947 году, никто ещё этого не знал — ни в СССР, ни в США.

Применение в начале разгона более экономичных ПВРД с последующим их сбросом и включением ЖРД позволяло, согласно расчетам РНИИ, достичь результатов, сопоставимых с теми, которые получились бы при использовании ракетного двигателя со скоростями истечения рабочего тела порядка 4 км/с.

Прямоточные двигатели диаметром 2 и длиной 7,2 м имели расчетную массу 7500 кг.

При остаточной полетной массе самолета около 22 000 кг могла быть достигнута дальность полета порядка 12 000 км и скорость около 5 км/с. При остаточной полетной массе 10 000 кг могла быть достигнута дальность порядка 40 500 км и скорость около 7 км/с — на таких значениях полётного веса бомбардировщик уже становился глобальным, позволяя заходить на цель с любого произвольного направления.

Все расчеты РНИИ проводились для двигателей с удельной тягой в районе 300 секунд, что соответствовало значениям удельного импульса тогдашних ЖРД.

Однако, как и в случае «Серебряной птицы», гипотетический «бомбардировщик РНИИ» имел бы громадные проблемы с тепловой прочностью конструкции, которая тоже не снабжалась какой-либо внятной теплозащитой для повторного входа в атмосферу на гиперзвуковых скоростях. Но, по крайней мере, такой концепт уже позволял за счёт комбинации ПВРД и ЖРД уйти от громоздкой взлётной эстакады. Хотя, конечно же, трудности по созданию комбинированного ТРД+СПВРД, с которыми столкнулись разработчики SR-71 в 1947 году в СССР совершенно никто не представлял.

И, тем более, никто и не представлял того, насколько сложен будет настоящий ГПВРД, который сможет работать на скоростях более 5М.

В любом случае, как и в 1944 году в Германии, в 1947 году в СССР проект «антиподного бомбардировщика» так и остался лишь в эскизах и расчётах.

К концепции «двухступенчатого суборбитального бомбардировщика», который значительно отличается от попыток запихнуть на орбиту полезный груз в рамках концепции SSTO, снова вернулись в США, уже лишь в конце 1950-х годов.

PHOTO_1_DYNA-SOAR

К началу разработки гиперзвукового самолёта Х-20 Dyna Soar (от английских слов Dynamic Soaring — «динамическое парение», созвучно и слову «динозавр» на английском) у США уже велись разработки гиперзвукового ракетного самолёта Х-15.

«Динозавр» X-20 должен был стать органическим продолжением и развитием Х-15, заодно используя всё те же идеи суборбитального гиперзвукового бомбардировщика Ойгена Зенгера.

В отличии от «Серебрянной Птицы» Зенгера и в отличии от советского «антиподного бомбардировщика» РНИИ, каждый из которых планировался на бомбовую нагрузку в рамере 10-20 тонн, «Дайна Соар» был гораздо более скромной «птичкой». При собственной полётной массе чуть более 5 тонн он мог нести всего лишь около 450 килограмм полезной нагрузки, что и задавало два основных его военных применения: либо фоторазведка глубинных и хорошо защищённых районов вероятного противника (тогда — СССР), либо же — внезапная бомбардировка стратегических советских объектов с помощью термоядерного оружия.

Dyna_Soar_launchers

«Динозавр» X-20 планировали выводить на орбиту чисто ракетным способом: в разных проектах для разгона его до суборбитальной скорости использовали МБР «Титан I», МБР «Титан II» или МБР «Титан III». Третья МБР позволяла даже закинуть вместе с «Дайна Соар» разгонно-манёвренный ракетный блок, который бы позволил «Динозавру» как выйти на истинную орбиту, так и, при желании, совершать глубокие аэродинамические манёвры в атмосфере Земли.
В начале же полёта Х-20 разгонялся МБР до высокой суборбитальной скорости в 7,35 км/с (около 93% первой космической), а затем бы совершал неглубокий «нырок» в атмосферу (до высоты порядка 60—70 км, минимальная высота — около 45).

В таких условиях «Дайна Соар» был бы недоступен как для космического оружия, так и для средств обычного ПВО, нацеленного на работу по гораздо менее скоростным и гораздо менее высотным целям.

В нижней точке своей аэродинамичческой траектории Х-20 мог бы произвести прицельное бомбометание по наземной цели или выполнить фоторазведку.

Затем гиперзвуковой самолёт, обладая достаточным аэродинамическим качеством и подъемной силой, снова мог бы выйти в космос уже на меньшую высоту — и дальше бы за счёт последовательных погружений в атмосферу (как и «Серебряная Птица» Зенгера), мог бы долететь до посадочного аэродрома, где бы и произвёл обычную «самолётную посадку». Дальность такого суборбитального полёта «Динозавра» Х-20 была в пределах одного витка вокруг Земли.

BI44536
Макет «Дайна Соар» с орбитальным разгонным блоком в музейных ангарах «Боинга».

Для «Дайна Соар» уже было создано рабочее конструкторское решение по теплозащите, которая по-прежнему была технологическим бичом любого суборбитального полёта.

Конструкция аппарата была выполнена по «горячей схеме» с радиационным охлаждением (сброс тепла излучением), при этом сам Х-20 был выполнен из массы чрезвычайно тугоплавких металлов и сплавов: молибдена, циркония, сплава рения и ниобия (Rene 41), которые позволяли конструкции без потери прочности нагреваться до температуры в 1600 °C и позволяли обойтись без использования абляционных или теплопоглощающих керамических покрытий, более характерных для последующих проектов суборбитальных бомбардировщиков.

К сожалению, «Дайна Соар» Х-20 так и не увидел реального неба — после 6 лет разработки, конструирования и даже тестирования ряда натурных моделей, проект создания Х-20 был свёрнут, а высвободившиеся силы были использованы в ряде других американских программ, в частности — в лунной программе «Сатурн-Апполлон».
Так, например, первый пилотом «Динозавра» должен был стать некто Нейл Армстронг, впоследствии ставший первым человеком на Луне.

Всего же на программу Х-20 было потрачено более 660 миллионов долларов США (около 5 млрд. в современных долларах США с учётом инфляции).

Следующей «реинкарнацией» суборбитального бомбардировщика стал советский проект «Спираль».

Именно на проекте «Спирали» якобы появилась в начале 1970-х годов знаменитая резолюция министра обороны СССР Гречко: «Это — фантастика. Нужно заниматься реальным делом».

Однако, насколько же был фантастикой проект советского гиперзвукового бомбардировщика? Точнее: насколько он был фантастикой в начале 1970-х — и насколько это фантастика, исходя из сегодняшних технологий?

002
Один из возможных дизайнов советской «Спирали», с использованием гипотетического гиперзвукового самолёта-разгонщика.

Во-первых, сама по себе «Спираль» состояла из двух ступеней. Несбыточность мечты Зенгера об одноступенчатом по сути штурме гиперзвука тогда, в конце 1960-х, уже чётко осознавали — и предпочитали более сложные, но в то же время — понятные двухступенчатые схемы.

Второй ступенью «Спирали» должен был стать орбитальный самолёт «БОР», на котором были проведены все испытания уникальной теплозащиты, вопрос разработки которой всегда преследовал все гиперзвуковые разработки. На различных "БОР"-ах была проверена как концепция тугоплавких материалов (плакированных пластин, то есть покрытой методом горячей прокатки поверхности материала слоем металла — ниобиевого сплава с покрытием на основе дисилицида молибдена) и сброса теплоты излучением, принятая раннее для Х-20, так и будущий концепт программ «Буран» и «Спейс Шаттл», которые обеспечивали защиту возвращаемых гиперзвуковых ракетопланов с помощью жаростойкой и теплоёмкой керамики.

Поэтому, в общем-то, ко второй ступени «Спирали» вопросов нет: она, в отличии от «Динозавра» Х-20 в космос летала и, к тому же, успешно возвращалась назад с десяток раз — как из суброрбитальных полётов, так и с околоземной орбиты.

1299058823_5
БОР-4 и БОР-5 на одной из последних советских выставок — «К звёздам-1991».

Во-вторых, для анализа первой ступени «Спирали», я верну вас к первой части нашего рассказа, в которой мы рассматривали различные типы двигателей, которые можно использовать для штурма гиперзвуковой скорости. Важная информация оттуда  поможет нам понять, что же было слабым звеном первой ступени «Спирали».
Именно диаграмма удельный импульс двигателя / скорость летательного аппарата и подскажет нам, где таится основная проблема любой схемы суборбитального бомбардировщика — начиная от старой, фантастической «Серебряной Птицы» Зенгера — и заканчивая самыми сверхсовременными проектами сверхскоростных разведчиков типа SR-72, о которых — чуть позже.

Вот, ещё раз, эта диаграмма:

1024px-Specific-impulse-kk-20090105
Пример различных двигателей современных самолётов и ракетопланов: ТРД на «Боинге-747» (6000 с), ТРД с форсажной камерой на «Конкорде» (3000 с), СПВРД на «Чёрном Дрозде» (1800 с) и водородный ЖРД «Спейс Шаттла» (450 с).

Как видите, основной проблемой любого гиперзвукового самолёта будет разгон от 3М до 8-17М: именно на этом промежутке скоростей и и расположен тот самый «низкий гиперзвук» (от 5М), в котором уже пасуют как турбореактивные двигатели (ТРД) с форсажными камерами и без них, так и сверхзвуковые прямоточные воздушно-реактивные двигатели (СПВРД).

Выше скорости в 17М никакое топливо для ГПВРД уже неэффективно — там уже лучше использовать обычный ракетный двигатель на водороде, пусть даже и весьма скромным удельным импульсом.

Неплохую фору в части удельного импульса может обеспечить использование водорода, отмеченного «теоретическим пунктиром» в верхней правой части графика (именно на этом и были построены изначальные успехи советско-российского ГПВРД «Холод»), но и этот гандикап упирается в простое ограничение конструкции: в ГПВРД надо обеспечить устойчивое сверхзвуковое горение топлива.

В ТРД любой конструкции и даже в СПВРД керосин сгорает при относительно небольшой скорости потока — всего лишь около 0,2М. Это позволяет достичь хорошего смешивания сжатого в компрессоре (ТРД) или в воздухозаборнике (СПВРД) воздуха и впрыскиваемого керосина и, соответственно, высокого КПД.

Но чем выше скорость набегающего потока, тем труднее его затормозить и тем выше потери, связанные этим, в общем-то, бесполезным для набора скорости упражнением.

Подобно винтам в районе звукового барьера, подобно турбокомпрессору в районе скорости 3М, начиная со скорости 5-6М наступает следующий барьер: дальнейшему разгону воздушного судна, кроме его собственного лобового сопротивления, начинает мешать и ударная волна и замедление потока воздуха в самом ПВРД.

scramjet-principle
Дозвуковое и сверхзвуковое горение топлива.

При этом замедлять поток приходиться уже в 25—30 раз, что ещё, к тому же, повышает и его температуру до чуть ли не 1500 °C. То есть, при росте скорости летательного аппарата у нас сразу растут два паразитных процесса: замедление воздушного потока до дозвуковых значений и, одновременно, рост его собственной температуры и, как следствие, практическая невозможность его дополнительно разогреть и, согласно газодинамике, разогнать в эффективную реактивную струю.

Остаётся только сжигать топливо в сверхзвуковом потоке. Здесь и начинаются настоящие трудности. Когда воздух влетает в камеру сгорания со скоростью 2500—3000 км/ч, процесс поддержания горения становится похож, по словам одного из разработчиков, на «попытку удержать спичку зажжённой посреди тайфуна».

Ещё не так давно считалось, что в случае с керосином это физически невозможно. Для того же «Чёрного Дрозда» пришлось специально разработать особую добавку в керосин — триэтилбор, который использовался для начального поджига керосинового топлива в камере сгорания, поскольку он самовоспламенялся при соединении с воздухом при температурах выше минус 5 °C.

Похожую задачу, уже решённую в 2000-х годах в США на экспериментальном гиперзвуковом аппарате Х-43 на водороде и улучшенную для крылатой гиперзвуковой ракеты Х-51А на керосине, судя по всему, сейчас решают и российские разработчики «гиперзвукового» топлива.

Самый прямолинейный способ решить обе проблемы (обеспечение сверхзвукового горения и охлаждение), да ещё и одновременно повысить удельный импульс двигателя — это отказаться от керосина в пользу водорода. Именно поэтому и ГПВРД  «Холод», и рекордный гиперзвуковой ЛА Х-43 от NASA летали на жидком водороде.
Последний относительно охотно (по сравнению с керосином, разумеется), горит даже в сверхзвуковом потоке. При этом жидкий водород по очевидным причинам — ещё и отличный охладитель, что даёт возможность не использовать массивную теплозащиту гиперзвукового аппарата, и при этом обеспечивать ещё и приемлемую температуру на борту. Кроме того, водород почти втрое превосходит керосин по теплотворной способности. Это и позволяет поднять границу достижимых и технически целесообразных скоростей до 17М (практический максимум на углеводородном топливе, скорее всего, составит лишь 8М) и при этом сделать двигатель более компактным.

17М при этом — это уже около 60% от первой космической скорости, что вполне достаточно для суборбитального полёта за «линию Кармана».

У «Спирали», напомню, не было в конце 1960-х годов ни действующего водородного ГПВРД «Холода», ни спецтоплива на основе керосина.

Поэтому, в качестве разгонного блока для «БОР»-а даже думали использовать переделанный сверхзвуковой ударный боммбардировщик Т-4 («сотка») или же его перспективную модификацию — Т-4МС («двухсотку»):

38-2-600x399

Вариант с «двухсоткой», которая могла бы поднять «БОР» на высоту в 24 километра и придать ему начальную скорость около 3М, выглядит наиболее реальным и осуществимым по состоянию на конец 1960-х—начало 1970-х годов, когда и проводился основной объём работ по «Спирали».

Однако, в случае использования «двухсотки» или же Т-4 в качестве первой ступени, «БОР» вынужден был бы уже набирать необходимую скорость до суборбитальной или же до первой космической уже за счёт своих собственных ракетных ускорителей.

Ещё менее реальной, к сожалению, виделась ситуация, когда бы суборбитальный самолёт «Спирали» разгонялся бы неким гипотетическим гиперзвуковым разгонщиком, который бы смог непосредственно стартовать с поверхности земли — и пытался бы разогнать «БОР» до 6-8М (а может быть — и до всех 17М на водороде) с помощью своих гиперзвуковых двигателей.

Проблема состоит в том, что такой гипотетической первой ступени «Спирали» пришлось бы вступить в борьбу с так называемым «провалом тяги». Речь идет об обеспечении тяги для набора скорости в скоростном промежутке между 2,5М, когда обычные турбореактивные двухконтурные двигатели перестают быть эффективными, и скоростью в 4М, когда уже могут хоть как-то начинать работать гиперзвуковые прямоточные воздушно-реактивные двигатели.
Как вы помните, практически все, даже самые современные гиперзвуковые разработки (включая и российский «Холод», и американские Х-43 и Х-51А) «проскакивают» эти неприятные дозвуковые и сверхзвуковые скорости либо на самолётах-носителях, либо с помощью ракетных ускорителей. Тот же подход пытался использовать и «Дайна Соар», стартуя по факту за счёт обычной МБР, а американский проект Х-30 засыпался именно на невозможности создать ГПВРД, который бы прошёл эту неприятную яму «провала тяги» и, кроме того, обеспечил бы старт с ВПП.

К задаче же создания истинно мультирежимного ВРД человечество подходит только сейчас.

И ситуацию с воплощением в металл очередной реинкарнации «Серебряной Птицы» Ойгена Зенгера сейчас пытаются снова-таки создать американцы, в перспективном проекте SR-72, в котором компания «Локхид-Мартин» будет пытаться повторить успех своего «Чёрного Дрозда»:

198eiijb197vdjpg
SR-72 «Аврора». Вдвое быстрее, чем «Чёрный Дрозд».

Все уже известные технологии различных типов ВРД  «Локхид-Мартин» постарается совместить воедино в новых силовых установках перспективного высотного разведчика SR-72. По сути, на этом летательном аппарате будут установлены сразу три двигателя (один турбореактивный и два гиперзвуковых) с общими воздухозаборниками и реактивными соплами. Предполагается, что турбореактивный двигатель будет разгонять SR-72 со старта (от скорости в 0М) и до скорости в 3М, после чего за разгон будут браться гиперзвуковые двигатели, расположенные осесимметрично под крыльями ближе к фюзеляжу летательного аппарата. Они уже и будут обеспечивать дальнейший разгон разведчика  до скорости в 6-7М, что близко к максимальной скорости, достижимой на углеводородном топливе.

И воздухозаборники, и сопла получат подвижные планки, сходные с регулируемыми конусами воздухозаборников SR-71, которые и будут отвечать за распределение воздушного потока на входе и направление газовой струи на выходе.

1400599103878

Прорыв в конструкции SR-72, согласно заявлениям специалистов «Локхид-Мартин», во многом заложен в инновационной конструкции воздухозаборников. Именно они, якобы, способны обеспечить стабильную работу всего двигательного комплекса на дозвуковых, сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростях полета для будущего гиперзвукового высотного разведчика. В SR-72 предполагается использовать и ряд других технологий, которые помогут бороться с тем же старыми, но столь же неприятными и до сих пор проблемами — с перегревом корпуса и двигателей при гиперзвуковом полете, и со стабилизацией управления аппаратом и обеспечить надежный обмен информацией, который затруднён из-за возникновения плазменного газового «кокона» вокруг гиперзвукового тела.

Основная проблема такого подхода состоит в том, что магические гиперзвуковые двигатели, которые смогут стартовать от скорости в 3М... были запроектированы к испытаниям в рамках остановленного сейчас и не доведенного до стадии натурных испытаний проекта DARPA Falcon HTV-3X.

Именно наработки, полученные при реализации закрытой в 2009 году программы создания гиперзвукового летательного аппарата HTV-3X Blackswift, якобы способного летать на скоростях до 6М и могущие давать тягу уже при 3М, и должны обеспечить магическое умение SR-72 стартовать с обычного аэродрома и подниматься в стратосферу, достигая скорости в 6-7М.

blackswift_2008_hypersonic_01
DARPA Falcon HTV-3X. Не летал, потому что — модель.

Поэтому, к сожалению, пока мечта Ойгена Зенгера о старте гиперзвукового самолёта с земли и его управляемом полёте в стратосфере — остаётся лишь красивой мечтой. До момента демонстрации способности SR-72 быть не только мечтой, как Х-30, но и реальным, крепким и красивым самолётом.

Для воплощения мечты в реальность надо сделать ещё очень много и решить ещё массу технических и технологических проблем.

Но из-за этого давняя мечта не перестаёт быть столь же красивой и столь же опасной одновременно...

 Комментарии: 0 шт.   Нравится: 2 | Не нравится: 0 

Комментарии

Социальные комментарии Cackle Все комментарии

Также в разделе «Интересное»

Расписание

Расписание транспорта. Краматорск, Харьков

Расписание

Музыка

Loading...

Справочник ВУЗов Украины