Хороший самолёт должен быть красивым

Недавно меня привлекли к написанию статьи о гиперзвуковом движении для одного глянцевого журнала. Когда-то, давным-давно, в другой жизни, я помогал отцу с переводом статей, посвящённых разработке аэродинамических форм и теплозащитных материалов для древних "Спейс Шаттлов" — и поэтому вспомнил всю ту информацию о вязком ударном слое, высокотемпературном потоке, диссоциации и ионизации газа, которую мне тогда пришлось переводить с английского языка на русский.

И, погрузившись снова в те старые воспоминания, попутно просмотрев новые разработки в деле гиперзвука — я осознал, что за прошедшие 25 лет мало что изменилось в деле штурма недостижимой высоты в 5М (пятикратная скорость звука в воздухе), которая и характеризует настоящий гиперзвук.

Для начала разговора о гиперзвуке стоит ввести некоторые смысловые ограничения. Ведь часто, разговаривая о "гиперзвуковом полёте" даже специалисты говорят лишь о "движении, осуществляемом со скоростями, большими 5М", совершенно не учитывая, при каких условиях внешней среды это движение осуществляется.

Гиперзвуковой полёт или гиперзвук для краткого наименования в рамках этой статьи, если рассматривать его терминологически корректно — это движение летательного аппарата в достаточно плотной газовой среде, которая может при этом ещё и поддерживать аэродинамические эффекты.

Для атмосферы Земли условной верхней границей такого слоя атмосферы является высота в 100 километров, которая ещё иногда называется "линией Ка?рмана".

Выше этой линии в атмосфере Земли уже невозможно осуществлять аэродинамический полёт с любой скоростью — самолёту или любому другому летательному аппарату, который использует воздух земной атмосферы, как опору, там уже просто не на что "опираться" и его движение выше линии Кармана носит уже чисто баллистический характер.
Поэтому, разговаривая о гиперзвуке, нам надо всегда помнить, что истинный гиперзвуковой полёт возможен только в описанных условиях: на высотах от 0 до 100 километров и при скорости не менее 5М.

Всё, что летает выше линии Кармана — уже не гиперзвук, даже если и имеет большую 5М скорость. Это уже "вакуумная акустика". Всё что летает медленнее 5М — тоже не гиперзвук, как бы не хотелось кому-либо назвать "гиперзвуком" весьма пристойную скорость в 3М, которую уже достигли многие серийные самолёты.

1М, справочно — это скорость звука в воздухе. Она различна для атмосферного воздуха различной температуры, давления и, как следствие, плотности, и составляет от 340 м/c на уровне моря до 282 м/с для атмосферы Земли на высоте в 80 километров. То есть, в абсолютных цифрах самая низкая гиперзвуковая скорость 5М на уровне моря и на высоте в 80 километров отличается где-то на 20%. На большой высоте гиперзвуковая скорость ниже, как ниже там и плотность воздуха.

Первым пилотом-аэронавтом, который смог одновременно стать и астронавтом, совершив суборбитальный полёт на гиперзвуковых самолётах, стал американский лётчик Джозеф Уокер, который 19 июля 1963 года на экспериментальном гиперзвуковом самолёте Х-15 достиг высоты в 106 километров и формально оказался в "настоящем космосе".
Через месяц, 22 августа 1963 года Джо Уокер улучшил свой рекорд, подняв ведомый им самолёт North American X-15 на рекордную высоту в 108 километров.

Полёты Х-15 к границам и за границы официальной "самолётной атмосферы" планеты Земля осуществлялись на протяжении более, чем 10 лет (с 1959 по 1970-й год), всего было осуществлено 192 полёта, из них 13 раз гиперзвуковые самолёты Х-15 поднимались на высоты более 80 километров.

Максимальная скорость полёта, которую удалось обеспечить на Х-15, составляла 6,72М или же 7 274 км/час.

После ряда аварий и катастроф, в том числе и с человеческими жертвами, программа Х-15 была в США закрыта — и дальнейшие работы по гиперзвуку были на достаточно длительный период прекращены.

В чём же проблема этого извечного "быстрее, выше, сильнее", которое остановило гиперзвук в 1970-х годах — и почему к нему вернулись сегодня?

Надо сказать, что кроме помех в движении, которые создаёт трение атмосферы о летательный аппарат и сопротивление воздуха, газовая оболочка Земли создаёт и некоторые преимущества для движущегося летательного аппарата тяжелее воздуха.

Первым преимуществом, безусловно, является аэродинамическая подъёмная сила. В отличии от силы Архимеда, которая выталкивает и поднимает вверх аэростаты и дирижабли с гелием и водородом, аэродинамическая или подъёмная сила действует на поверхности крыльев или лопастей воздушного судна.

Именно аэродинамическая сила позволяет аппарату тяжелее воздуха легко бороться с силой притяжения Земли, затрачивая энергию в большей степени лишь на поддержание горизонтального полёта. Да, энергия топлива, затрачиваемая на борьбу с лобовым сопротивлением, достаточно весома по сравнению с инерционным движением в вакууме, но "бесплатный бонус" в виде подъёмной силы искупает все недостатки неизбежного движения в атмосфере.

Вторым "бонусом", который таит в себе именно атмосфера Земли, является наличие в ней бесплатного окислителя — кислорода. Например, в случае движения в атмосфере Венеры летательному аппарату неизбежно надо было бы тянуть с собой и запас горючего, и запас окислителя — углекислый газ венерианской атмосферы не является ни горючим, ни окислителем — его невозможно использовать в качестве топлива.

В случае же Земли любой дозвуковой или сверхзвуковой самолёт может нести с собой лишь запас одного из компонентов топлива — горючего, которое сгорает в получаемом прямо в полёте окислителе — кислороде из состава атмосферного воздуха.

Но именно вопрос выбора двигателя, при всей привлекательности воздушно-реактивной схемы для гиперзвукового полёта и был всё время, начиная с 1950-х годов, центральным вопросом проектирования гиперзвукового летательного аппарата.

Если мы рассмотрим конструкцию уже упомянутого Х-15, то увидим, что он построен не по схеме воздушно-реактивного двигателя, утилизирующего бесплатный кислород атмосферы, а использует для своего движения ракетные двигатели. И, как следствие, активный участок полёта Х-15, несмотря не все впечатляющие достижения по скорости и по высоте подъёма, составлял не более 2 минут — дальше у него просто заканчивалось топливо и весь последующий полёт уже был практически полётом по инерции и последующим планированием в атмосфере:

Х-15 после посадки. Под корпусом наглядно видны громадные баки топлива и окислителя.

Почему же, несмотря на полёт в "аэродинамической атмосфере" и несмотря на все преимущества воздушно-реактивного двигателя,  гиперзвуковой самолёт Х-15 был построен с использованием ракетного двигателя?

В этом и заключен ответ на вопрос об остановке программе гиперзвука в начале 1970-х годов и её возобновления лишь в 2000-х: только сейчас инженеры США, России и Китая вплотную подбираются к возможности реализовать в металле все задумки и концепции, касающиеся именно воздушно-реактивного гиперзвукового двигателя, который может во многих отношениях оказаться гораздо лучше ракетного. И в текущей ситуации у России есть немалый задел, который она унаследовала от СССР. Но об этом — чуть позже.

Точно также, как переход от дозвукового полёта к сверхзвуковому потребовал перехода от винтовых и турбовинтовых систем к чисто турбореактивным системам, точно также, как штурм скорости в 2-3М потребовал ухода от турбореактивных двигателей (ТРД) и использования уже прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ПВРД), так и подход к гиперзвуку потребует снова тотальной переделки всего двигателя воздушного аппарата.
При этом оптимизация воздушно-реактивного двигателя для гиперзвука подразумевает, что он будет в чём-то эффективнее обычного ракетного двигателя, в котором мы и горючее, и окислитель мы тащим с собой в виде начальной нагрузки летательного аппарата.

Да, так называемый удельный импульс гиперзвукового воздушно-реактивного двигателя будет намного (как минимум — вдвое) выше удельного импульса сравнивого с ним по мощности и другим параметрам ракетного двигателя. Но вот сама конструкция гиперзвукового воздушно-реактивного двигателя пока что очень неопределена — как в плане его технологических особенностей и принципиальных схем, так и в перечне тех материалов, которые необходимо ещё создать для его постройки.

Принципиальную проблему создания гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ГПВРД) хорошо показывает вот эта диаграмма, показывающая соотношение эффективности разных типов двигателей в зависимости от скорости летательного аппарата:

Из диаграммы видно, что по удельному импульсу ракетные двигатели (РД) значительно уступают воздушно-рективным двигателям (ВРД) всех типов. Это объясняется тем, что в расход топлива у РД включается и окислитель, который ВРД "бесплатно" забирает из атмосферы, поэтому удельный импульс РД составляет максимум 270 секунд для ракетного двигателя твёрдого топлива (РДТТ) и 450 секунд для жидкостного ракетного двигателя (ЖРД).

И, получается, что древний, как говно мамонта, пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ПуВРД) Argus As-014, использовавшийся как двигатель для первой немецкой дозвуковой крылатой ракеты "Фау-1" (V-1) времён Второй мировой войны, имеет удельный импульс выше самых современных РДТТ и ЖРД.

В случае же турбореактивных двигателей, используемых в современных самолётах, преимущество и того значительнее — удельный импульс в 2000-3000 секунд превосходит лучшее ЖРД чуть ли не в 6 раз.

"Боинг-747" смотрит на Х-15, как на говно. Правда, догнать всё равно не может.

Однако, у ракетных двигателей есть неоспоримое преимущество: получая готовый окислитель из баков, они не возятся с подготовкой кислорода из атмосферного воздуха.
В силу чего их удельный импульс характеризуется фразой "бедненько, зато стабильненько": свои 450 секунд они выдают хоть на ноле Махов скорости, хоть на десяти Махах, хоть у поверхности, хоть на высоте в 80 километров.

А вот оптимизировать капризный воздушно-реактивный двигатель ко всем значениям скорости и ко всем возможным высотам полёта, вплоть до линии Кармана — оказалось задачей отнюдь не столь тривиальной, как представлялось в начале 1950-х годов. Какой-то из двигателей, как ТРД, хорошо работает только до скорости в 2-3М, а кто-то, как сверхзвуковой ПВРД, может, наоборот, стартовать только на сверхзвуковой скорости выше 1М.

Классификация различных типов воздушно-реактивного двигателя в России и в США немного отличается, но фактически для целей нашего рассказа важно одно: из воздушно-реактивных двигателей только ТРД может эффективно обеспечивать разгон летательного аппарата от 0М до 1М, то есть — от состояния покоящегося на взлётной полосе аппарата до первого барьера — скорости звука.

Именно турбореактивные двигатели современных дозвуковых и сверхзвуковых самолётов обеспечивают им возможность передвижения в воздухе со скоростями, начиная от взлётной и заканчивая "высоким" сверхзвуком, на которых летают сейчас и современные истребители и бомбардировщики, и даже летали "белые вороны" сверхзвуковой авиации — советский Ту-144 и англо-французский "Конкорд".

Именно турбина и питаемый её энергией воздушный компрессор позволяют турбореактивному двигателю стартовать буквально с "полпинка" прямо на взлётной полосе, самостоятельно разгонять самолёт до взлётной скорости, опряделяемой уже лишь подъёмной силой его крыльев, а потом — осуществлять набор высоты, горизонтальный полёт и управляемую посадку.

Самое главное тут — не заблудиться!

ТРД замечательно работают при скоростях от 0М до 1М, выходя на "полочку" своего максимального удельного импульса (около 3000 секунд) в промежутке скоростей 1-2М. Однако, уже начиная со скорости 2М на их удельный импульс начинает воздействовать их собственная конструкция: набегающий поток воздуха уже и сам очень сильно тормозится и сжимается на входе в конструкции двигателя, а столь сложный и витиеватый лабиринт лопаток воздушного компрессора становится скорее препятствием в дальнейшем пути атмосферного воздуха к камере сгорания воздушно-реактивного двигателя.

Однако, отказаться от ТРД на "пути наверх" к гиперзвуку оказывается очень непросто: следующий, оптимизированный уже под скорости в 3-4М двигатель, сверхзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель (СПВРД), уже совершенно не хочет работать на земле, при нулевых скоростях и даже не может завестись на скорости ниже 500-600 км/час.

Кроме того, вплоть до скорости в 1М (дозвук) любые ПВРД имеют крайне низкий удельный импульс, сравнимый или даже худший, чем удельный импульс ракетных ЖРД или РДТТ.

В 1950-х годах ПВРД испытывались на дозвуковых скоростях, были даже построены такие пилотируемые уродцы, как французская летающая лаборатория Leduc 0.21:

Несмотря на то, что "Ледук" мог даже сам садиться в планируещем режиме и несмотря на то, что со своим единственным ПВРД (честно говоря — сама лаборатория и была таким большим ПВРД) он смог достигнуть скорости в 900 км/час, выйдя на трансзвук — концепт дозвукового ПВРД не обеспечивал возможности старта с земли: для этого "Ледук" использовал самолёт-матку, который разгонял летающую лабораторию до нужных скоростей около 500 км/час.

Похожие технологии используются сегодня и практически для всех сверхзвуковых крылатых ракет, вроде разработанных при СССР изделий "Гранит", "Базальт", "Оникс" и прочих, движущихся на скоростях в 2-2,5М с помощью собственных СПВРД:

Это не работа штатного СПВРД "Оникса" — это работает стартовый ускоритель.

Практически все сверхзвуковые крылатые ракеты, которые используют СПВРД стартуют именно так: или с наземных комплексов с использованием малоэффективных, но проверенных твердотопливных ускорителей, которые и разгоняют их до минимальной скорости работы СПВРД, либо же, как и Х-15 и "Ледук" — используют разгонные самолёты для того, чтобы "бесплатно" получить столь необходимую им начальную скорость.

Однако, был в истории покорения скорости и ещё один концепт выхода на высокий сверхзвук. Это история знаменитого высотного разведчика "Чёрного дрозда" (SR71-Blackbird) и его не менее уникального воздушно-реактивного двигателя Pratt & Whitney J58.
Надо сказать, что конструкторы "Пратт энд Уитни" при разработке двигателя для "Чёрного дрозда" сделали практически невозможное, создав для детища "Локхида" гибрид "ежа и ужа", скрестив в одном двигателе и ТРД, и СПВРД.
Как им это удалось, рассказывается вот в этом коротком и наглядном видео:

Историю создания этого уникального двигателя можно почитать по ссылкам в тексте статьи, скажу лишь, что процесс его создания был очень непростым и тернистым, а испытания его проводились исключительно на земле, что само по себе уже было подвигом.

Для двигателя пришлось создавать уникальную марку основного топлива и добавлять при пуске форсажных камер дополнительное, самовоспламеняющееся в воздухе стартовое горючее.

Однако, итогом всей программы "Чёрного дрозда" стал воистину знаковый, красивый самолёт, который стал головной болью СССР на долгие годы вперёд.

Красивый самолёт. Чёрный.

Именно "Чёрному Дрозду", с его уникальным гибридным двигателем "два в одном" (ТРД+СПВРД) принадлежит масса рекордов и достижений по скорости и высоте полёта.
В 1976 году SR-71 установил рекорд по скорости полёта самолётов с прямоточными двигателями — 3529 км/час.

В целом же самолёт был рассчитан на постоянную эксплуатацию при скорости 3,2М, в случае перегрева наружных конструкций самолёта до температуры не более 427 °C — допускался кратковременный разгон до 3,3М. Крейсерская же скорость SR-71, на которой его двигатель выдавал 20% тяги за счёт его ТРД и 80% тяги за счёт его СПВРД, составляла 2,8М.

Практический потолок "Чёрного Дрозда" составлял 25 910 метров, радиус действия за счёт использования столь уникальной гибридной конструкции двигателя удалось довести до 2000 километров, что было критически важно для высотного разведчика в его действиях против весьма протяжённого и защищённого системами ПВО Советского Союза.

Для желающих "померяться пиписками" между США и СССР, конечно же, нам надо упомянуть и советский "поход на высокий сверхзвук", который вылился в разработку совсем иного концепта — истребителя-перехватчика МиГ-25.

Согласно обычного для "этих ваших интернетов" мегасрача обычно начинается и достаточно долго продолжается обсуждение того, что SR-71 мог, а МиГ-25 не мог (или наоборот — что мог МиГ-25, а не мог SR-71), но факт остаётся фактом: за SR-71 пока остаётся признанный рекорд скорости, зато МиГ-25 может похвастаться своим рекордом — по абсолютной высоте полёта, который составляет 37 650 метров.

Не "линия Кармана", но тоже очень хорошо.

Красивый самолёт. Белый.

В скорости же, несмотря на все усилия, догнать SR-71 так и не удалось: рекорды МиГ-25 были ограничены планкой в 3000 км/час (около 2,83М), что и задавало практику тестовых воздушных боёв МиГ-25 с "Дроздами" во времена Холодной войны: МиГ-25 заранее набирали высоту над подходящими к границе SR-71, а потом в пикировании догоняли "Дроздов" и выходили на эффективную дальность пуска своих ракет, вынуждая SR-71 спешно ретироваться от границ СССР.

Такая практика "наскока и устрашения" позволяла держать "Дроздов" вдалеке от стратегических объектов в СССР.

Скромность МиГ-25 в деле штурма рубежа скорости в 3М понятна и объяснима: в качестве силовой установки истребителя-перехватчика использовались старые, проверенные, но уже малоэффективные за отметкой скорости в 3М турбореактивные двигатели Р15БД-300, которые за этим магическим рубежом резко теряли свою эффективность:

К началу 1980-х годов человечество впрямую подошло к реальному штурму планки "настоящего" гиперзвука. Магической цифры в 5М хотелось достигнуть именно на воздушно-реактивных двигателях, чтобы уйти от проклятия низкого удельного импульса ракетных двигателей.

Но тут всех участников гонки Холодной войны подстерегало уже совсем другое, чисто физическое ограничение.

Фактором, ограничивающим рабочие скорости обычных СПВРД сверху, является температура заторможенного воздуха. Проблема состояла в том, что при числах Маха, которые превышали M=5 за счёт даже пассивного сжатия входящего потока воздуха в конусе ПВРД его температура превышала 1500 °C, и существенный дополнительный нагрев рабочего тела в камере сгорания, который и позволяет, собственно, разогнать выходящий поток газа до скоростей больших, нежели входящий поток и обеспечивает истинную тягу летательного аппарата, становится уже очень проблематичным из-за ограничения жаропрочности конструкционных матриалов.

Те же самые проблемы подстерегают и части конструкции летательного аппарата (носовая кромка конструкции, выступающие части воздухозаборников), которые принимают на себя первыми сверхзвуковую ударную волну набегающего потока воздуха.

Высокоскоростной поток в лобовой точке аппарата, в точках и областях 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.

И двигатель, и воздухозаборник, и лобовая часть аппарата буквально начинают "гореть" в набегающем потоке воздуха, да так, что старые-добрые 427 °C "Чёрного Дрозда" на 3,3М начинают казаться просто небольшой и не очень горячей сауной.

Но самый жуткий ужас начинает твориться в потоке набегающего воздуха, который, как мы помним, надо не просто победить тягой двигателей и обеспечить за счёт него подъёмную силу аппарата, но ещё и попутно превратить в столь необходимый нам окислитель.

Иначе — зачем менять шило на мыло, а старый, проверенный РД — на капризный и неустойчиво работающий ГПВРД?