Технополис завтра
Самое важное. Самое полезное. Самое интересное...
Новости Интересное

Таинственные Махи "Авангарда"

11.01.2019
Пуск "Авангарда", фото Министерства Обороны РФ

Испытания межконтинентальной баллистической ракеты с маневрирующими на гиперзвуковой скорости блоками "Авангард" 26 декабря вызвали активное обсуждение в социальных сетях - объявленной скорости в 27 Махов поверили не все.

Скептики приводили температуру плавления вольфрама, сравнивали ее с расчетными данными нагрева обшивки и говорили "Невозможно! Он расплавится!" Сейчас, когда не отвлекают приближающиеся праздники, можно вспомнить физику и спокойно поговорить о скоростях, Махах, нагреве и маневрировании.

Такие странные Махи

Прежде всего давайте разберемся, что такое эти Махи, почему скорость обозначили именно в них, и можно ли как-то перевести названное число в привычные нам единицы измерения. 1 Мах - это скорость звука, но взять привычное нам значение 330 м/с из школьного учебника и перемножить на 27 нельзя. Дело в том, что скорость звука зависит от температуры среды и меняется с высотой. А высоту, для которой измерена эта скорость, нам не сообщили. Американская модель стандартной атмосферы дает скорость звука 278 м/с в диапазоне 80-90 км, именно там, где начинается сколько-нибудь заметная плотность воздуха.

Стандартная атмосфера США 1962 года, изображение Cmglee/Wikimedia Commons

Отдельная ирония заключается в том, что в других моделях атмосферы будут другие значения, и, например, на сайте NASA есть калькулятор, дающий скорость 269 м/с для высоты 76 км, что заметно меньше.

Вывод: 27 Махов из новости - это, скорее всего, скорость в районе 7, а не 9 км/с.

Вы можете спросить: а зачем указывают скорость в таких неудобных единицах? Почему бы не сказать сразу в метрах в секунду? Дело в том, что именно число Маха, а не абсолютная скорость, говорит о том, как среда взаимодействует с движущимся в ней предметом. На дозвуковых, околозвуковых, сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростях воздух принципиально по-разному обтекает самолеты, космические корабли или боеголовки.

27.png

Иллюстрация NPTEL

Все нормально, падаем

Следующий вопрос - а с какой скоростью летают боеголовки межконтинентальных баллистических ракет? Посмотреть на полет МБР удобнее всего будет в космическом симуляторе Orbiter (более подробно с инструкциями можно почитать тут). Точная скорость зависит от дальности стрельбы и траектории, но в общем случае находится в районе 6,5-7 км/с. Например, если бы Карибский кризис 1962 года перешел в горячую фазу, боевая "Р-7А" разогналась бы примерно до 6,7 км/с для удара по Вашингтону.

Траектория полета боеголовки и значение орбитальной скорости сразу после отделения от ракеты

В модели атмосферы, использующейся в Orbiter, боеголовка как раз успевает на короткий момент достигнуть скорости в 26 махов, двигаясь со скоростью 7 км/с на высоте 84 км.

Вывод: скорость 27 Махов вполне достижима обычной боеголовкой баллистической ракеты. Но нужно понимать, что это максимальная скорость, которую "Авангард" может достигать на короткое время.

Космические корабли с низкой орбиты тормозят с чуть большей скорости, чуть меньше 8 км/с, и достигают сравнимых скоростей Маха. А вот возвращающиеся с Луны "Аполлоны" входили в атмосферу со скоростью 11 км/с и достигали почти 40 Махов.

Горю и не сгораю

Несмотря на то, что при торможении в плотных слоях атмосферы боеголовка испытывает большие тепловые нагрузки, справляться с этим инженеры научились достаточно давно. Но приводить температуру плавления вольфрама нет смысла, потому что для защиты космического корабля или боеголовки используются другие принципы.

Первый вариант - испаряющаяся (абляционная) теплозащита. Достаточно толстый слой материала, нагреваясь, постепенно разрушается, и лишняя тепловая энергия уходит вместе с улетающими частичками.

Слева до полета, справа - после

Второй вариант - использовать специальные материалы: углепластики (упрочненный углерод-углеродный композит, reinforced carbon-carbon), кварцевое стекло, сверхвысокотемпературные композиты с керамической матрицей и другие. Разные участки нагреваются по-разному, поэтому на шаттлах или "Буране" стояла теплозащита из нескольких материалов, отличающихся максимальной допустимой температурой.

Теплозащита "Бурана", источник с дополнительной информацией

Вывод: Существуют теплозащитные материалы, позволяющие входить в атмосферу со скоростью 27 Махов, и это не вольфрам.

Материалы теплозащиты "Авангарда" секретны, но, скорее всего, там используется второй способ, он лучше подходит для маневрирующего аппарата.

Цель вижу, в себя верю

Гражданские космические аппараты не только могут пережить торможение в атмосфере, но и управляют своим полетом. Летающие сейчас "Союзы" совершают управляемый спуск - центр тяжести капсулы размещен так, что она летит "носом вверх" и создает подъемную силу.

Цифры близки к реальным, это скриншот симулятора Orbiter. Зеленая - подъемная сила, красная - сила сопротивления

Спейс шаттлы, "Буран" или летающий сейчас в космосе X-37 могли выполнять управляемый полет в диапазоне от гиперзвука до дозвуковой скорости. Что шаттлы, что "Буран" при торможении в плотных слоях атмосферы шли "змейкой" как раз на гиперзвуковой скорости. Но все эти аппараты отличались невысоким аэродинамическим качеством и могли маневрировать в ограниченном диапазоне. Посмотрите еще раз на иллюстрацию выше, зеленая стрелка гораздо короче красной, у "Союза" аэродинамическое качество на гиперзвуке в районе 0,3. У шаттла или "Бурана" повыше, но все равно невысокое, в районе 1 (т.е. зеленая стрелка такой же длины как и красная). Для преодоления противоракетной обороны "Авангарду" нужно будет заметно большее аэродинамическое качество. Почему? Дело в том, как противоракета прицеливается по цели. Для того, чтобы перехватить боеголовку, противоракете надо целиться в упрежденную точку, место, где пути ее и цели пересекутся.

А поскольку основной разгон противоракеты происходит в первые секунды полета, она не может перехватить боеголовку, активно маневрирующую с большим аэродинамическим качеством. Боеголовка меняет курс, точка встречи сильно смещается, а у противоракеты уже нет топлива для изменения своей траектории в новую точку перехвата.

Именно в этом и состоит главная инженерная сложность проекта "Авангард" - создать конструкцию, способную не только выдержать вход в атмосферу, но и очень активно в ней маневрировать.

Вывод: Человечество умеет создавать аппараты, которые могут совершать управляемый полет на гиперзвуке вообще, а "Авангард" должен был решить более сложную задачу полета с высоким аэродинамическим качеством.

На советских наработках

За реальность "Авангарда" говорит и то, что он вырос не на пустом месте. Еще в 80-х годах прошлого века для МБР Р-36М2 "Воевода" разрабатывался гиперзвуковой маневрирующий блок 15Ф178, а в 90-х годах даже предлагался исключительно мирный аппарат "Призыв" для оказания помощи терпящим бедствие кораблям.

Источник

В других странах работы по гиперзвуковым маневрирующим блокам тоже ведутся, но, по открытой информации, они пока менее успешны. В США в рамках программы "Продвинутое гиперзвуковое оружие" (Advanced Hypersonic Weapon, AHW) испытывался Falcon HTV-2 (два неудачных пуска) и, собственно AHW (успех в 2011, неудача в 2014). В Китае разрабатывается система DF-ZF, она же WU-14 (семь испытаний в 2014-17 годах), но об успешном завершении разработки еще не объявляли.

Общий вывод: "Авангард" с указанными характеристиками не противоречит законам физики и вполне реален. Названная скорость в 27 Махов вполне достижима и технически, и физически, но это максимальная скорость, и боевой блок не летит на ней все время полета.

https://lozga.livejournal.com/186672.html


 

Loading...
Загрузка...

© 2009 Технополис завтра

Перепечатка  материалов приветствуется, при этом гиперссылка на статью или на главную страницу сайта "Технополис завтра" обязательна. Если же Ваши  правила  строже  этих,  пожалуйста,  пользуйтесь при перепечатке Вашими же правилами.