CC BY
174
на стр. 151
* Скорость, которую надо сообщить телу при запуске с какой-либо планеты, чтобы оно стало ее искусственным спутником, называют первой космической. Для искусственного спутника Земли, движущегося у самой ее поверхности, VI - 7,9 км/с
ВОЗДУШНО-КОСМИЧ КОРАБЛЬ
В 1957 году Евгением Сергеевичем Щетинковым была выдвинута и обоснована идея создания прямоточного двигателя со сжиганием горючего в сверхзвуковом потоке в камере сгорания — ГПВРД. Практически одновременно работы по изучению горения в сверхзвуковом потоке были начаты в США. Так началась история создания воздушно-космических кораблей, которые могут взлетать с обычных аэродромов, выходить в околоземное пространство и возвращаться обратно. Уже в 1966 г. в НИИ-1 MOM (ныне Центр им. М.В. Келдыша), где в то время работал Е.С. Щетинков, был выполнен пионерный проект одноступенчатого воздушно-космического корабля с комбинированной силовой установкой, состоящей из жидкостного ракетного двигателя (ЖРД), прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД) и ГПВРД, работающих на жидком водороде. Используя возможности комбинированной работы двигателей при разных числах Маха (М)*, такая силовая установка выводит космический корабль из атмосферы на околоземную орбиту при М к 20, когда включаются два высотных ЖРД. Стартовый вес 150—250 тонн, полезная нагрузка 6—11 тонн
* Число Маха представляет собой отношение скорости полета летательного аппарата к скорости звука
Создание космических ракет стало одним из самых впечатляющих достижений человечества в прошедшем двадцатом веке. Благодаря им человеку удалось преодолеть земное притяжение и выйти в космическое пространство — освоить околоземные орбиты, осуществить полеты на Луну, запустить аппараты-зонды на другие планеты.
А можно ли создать самолеты, которые по скорости были бы сравнимы с ракетами? Ракеты выходят в космос, преодолевая толщу земной атмосферы благодаря сверхвысоким скоростям, достигающим первой космической*. Современная авиация пока не преодолела барьер 1/8 первой космической. Максимальная скорость боевых реактивных самолетов лишь втрое превышает скорость звука (около 3500 км/час). Пассажирские авиалайнеры летают с дозвуковой скоростью (менее
ПЕРВЫЙ ПРОЕКТ ВОЗДУШНО-КОСМИЧЕСКОГО КОРАБЛЯ С ГИПЕРЗВУКОВЫМ ПРЯМОТОЧНЫМ ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ (1966 г., СОВЕТСКИЙ СОЮЗ)
Извечная мечта человечества — чтобы «люди летали как птицы» — к XXI веку сменилась на более соответствующую духу времени: «если бы самолеты летали как космические ракеты!»
В. М. ФОМИН, Ю. П. ГУНЬКО, И. И. МАЖУЛЬ
вные самолеты
I будущего
ФОМИН Василий Михайлович — член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, директор Института теоретической и прикладной механики СО РАН (г. Новосибирск)
ГУНЬКО Юрий Петрович — кандидат технических наук, зав. сектором Института теоретической и прикладной механики СО РАН (г. Новосибирск)
МАЖУЛЬ Игнатий Иванович — кандидат технических наук, старший научный сотрудник Института теоретической и прикладной механики СО РАН (г. Новосибирск)
147
Эта многоразовая двухступенчатая авиационно-космическая система включает в себя гиперзвуковой самолет-разгонщик, оснащенный турбореактивным двигателем, и орбитальный самолет — с ракетным ускорителем. Запуск орбитальной ступени должен происходить на высоте 24—30 км при скорости, в шесть раз превышающей скорость звука. После схода с околоземной орбиты и планирующего спуска в атмосфере орбитальный аппарат мог совершать посадку на обычный аэродром «по-самолетному», используя турбореактивный двигатель. Взлетная масса всей системы
NASP ▼
Экспериментальный воздушно-космический самолет Х-30 разрабатывался по программе «NASP» (National AeroSpace Plane — широкомасштабная национальная программа США по созданию гиперзвуковых и воздушно-космических самолетов, 1984—1994 гг.). Стартовая масса аппарата 90—135 т, длина 30—40 м
Х-30 должен был продемонстрировать достижения в области разработки ГПВРД и связанные с ними технологии непосредственно в реальном полете. В дальнейшем предполагалось использовать эти технологии для создания как военных, так и гражданских аппаратов, способных совершать длительные полеты в атмосфере на гиперзвуковых скоростях или выполнять роль носителей для доставки полезной
СПИРАЛЬ►
Проект орбитального аппарата «СПИРАЛЬ» открыл историю практического создания авиационно-космических систем в России. Работы проводились в 1965—1978 гг. под руководством Г.Е. Лозино-Лозинского в ОКБ им. А.И. Микояна
составляла 115 тонн, одноместный орбитальный самолет — Ют
Ту-2000 ▲
Ту-2000 — одноступенчатый многоразовый воздушно-космический самолет (ВКС). Техническое предложение по ВКС было подготовлено в ОКБ (ныне АНТК*) им. А. Н. Туполева в середине 80-х гг.
Этот космолет должен был совершать взлет и посадку с обычных взлетно-посадочных полос, выполнять разгон до заданной скорости и высоты, включая выход на круговую орбиту, и выполнять автономный орбитальный полет на высоте 200 км продолжительностью до суток. Стартовый вес планировался около 260 тонн, полезная нагрузка — 8—10 тонн. Экспериментальный ВКС мог обеспечить проведение летного эксперимента для исследования сложнейших процессов в ГПВРД и аэротермодинамических явлений, возникающих при числах М > 6—8, вплоть до выхода в космос.
Макет самолета Ту-2000 был показан на выставке «Мосаэрошоу-92». В том же 1992 г. проектные разработки были приостановлены. В настоящее время исследовательские и экспериментальные работы по ВКС продолжаются в АНТК им. А. Н. Туполева
нагрузки на околоземные орбиты. Самолет Х-30 планировали оснастить комбинированной силовой установкой, включающей ТРД, двухрежимный ПВРД (или ГПВРД) и ЖРД. Предполагалось, что при проведении летных испытаний Х-30 будет стартовать с авиабазы, разгоняться до скорости, соответствующей M = 10, совершать крейсерский полет на высотах 24—46 км, выполнять разворот и возвращаться обратно. В рамках программы NASP рассматривалась возможность создания гиперзвукового пассажирского самолета «Orient Express», рассчитанного на 200—300 пассажиров для полетов на межконтинентальных маршрутах дальностью 9000—13000 км. «Orient Express» мог бы преодолевать расстояние Нью-Йорк — Париж за 2 часа, Вашингтон — Токио за 3 часа. Время полета сверхзвукового «Concorde» от Нью-Йорка до Парижа составляло около 3 часов
* Авиационный научно-технический комплекс
Гиперзвуковая летающая лаборатория для летных испытаний гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ГПВРД)
Создана на базе зенитной ракеты СА-5, боевая часть которой была заменена двигательным модулем длиной 0.7 м, разработанным ЦИАМ им. П. И. Баранова и КБХМ. После запуска с передвижной пусковой установки ракета выходит на баллистическую траекторию полета, достигая чисел Маха М = 3.5—6.5 на высотах 15—35 км. ГЛЛ «Холод» оснащена двухрежимным ПВРД, созданным для испытаний в условиях полета.
27 декабря 1991 на ней впервые в мире было проведено летное испытание водородного ГПВРД при скорости полета равной 1653 м/с (в 5.6 раза превышающей скорость звука) и в течение последующих 7 лет было выполнено пять испытательных полетов
Х-43 — небольшой беспилотный экспериментальный летательный аппарат. Создан по программе «Нурег-Х», начатой США в 1996 г. Оснащен гиперзвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателем, разработанным для испытаний в реальном полете
Х-43 устанавливается на крылатой ракете «Pegasus» как головная часть ее корпуса, имеет длину корпуса 3,4 м и двигатель длиной 0,76 м.
Дозвуковой турбореактивный самолет В-52В выводит ракету «Pegasus» на высоту около 5.7 км, после чего она отделяется и разгоняется с набором высоты около 29 км. Далее отделяется сам аппарат Х-43, и его ГПВРД запускается на время не более 10 сек, разгоняя Х-43 до скорости, соответствующей числам Маха М = 7 или М = 10. После горизонтального испытательного полета происходит торможение и снижение в заданную зону падения, где аппарат спасается с помощью парашюта.
Первые успешные летные испытания аппарата Х-43А были выполнены в конце марта 2004 г., когда аппарат разогнался до скорости, в семь раз превышающей скорость звука. Во время испытаний в ноябре 2004 г. скорость X-43А превысила скорость звука в десять раз
1000 км/час), уже отлетавшие сверхзвуковые «Конкорд» и Ту-144 имели крейсерскую скорость только примерно вдвое большую.
К настоящему времени уже определены перспективы создания в двадцать первом веке нового поколения самолетов, летающих с гиперзвуковыми скоростями, в 5—15 раз превосходящими звуковую, а также воз-душно-космических самолетов, взлетающих с обычных аэродромов, выходящих с космической скоростью в околоземное пространство и возвращающихся обратно. Для их создания необходимо развитие новых технологий, совершенно отличных от тех, которые присущи вертикально взлетающим ракетно-космическим системам и современным самолетам.
«Ключевым элементом» создания таких аппаратов является разработка воздушно-реактивной силовой установки, экономичной и работающей в беспрецедентно широком диапазоне скоростей - от дозвуковых до гиперзвуковых. Для такой силовой установки может быть эффективно использовано ракетное горючее — жидкий
водород, для которого тепловая энергия, выделяемая при сжигании, является максимальной. Его запасы в природе практически неисчерпаемы, он может вырабатываться как из углеводородных ископаемых, так и из воды. Водород — экологически чистое топливо, при его сгорании образуется обыкновенная вода.
Проведенные к настоящему времени научно-тех-нические исследования дают представление о том, какими будут гиперзвуковые и воздушно-космические самолеты будущего. Прежде всего, аэродинамические формы гиперзвуковых самолетов будут существенно отличаться как от тех, которые используются для ра-кетно-космических аппаратов, так и от современных до- и сверхзвуковых реактивных самолетов. Конфигурации гиперзвуковых воздушно-реактивных аппаратов становятся интегрированными, крыло и фюзеляж объединяются в единый несущий корпус, к которому в свою очередь примыкают воздухозаборник и сопло двигателя. Такого рода конфигурации являются пока еще малоизученными, но уже теперь ясно, что они
Модельный двигатель ИТПМ ▼
Впервые в мировой практике экспериментальных исследований ГПВРД на модельном двигателе Института теоретической и прикладной механики СО РАН была получена избыточная тяга, под действием которой модель двигалась вперед, навстречу потоку, набегающему на нее в аэродинамической
на стр. 153
Испытания моделей ГПВРД с горением различных топлив в аэродинамических трубах ИТПМ были начаты в середине 70-х годов. В 1978 г. в импульсной аэродинамической трубе кратковременного действия (30—120 миллисекунд) при числе Маха набегающего потока М =7.9 был испытан модельный ГПВРД с так называемым конвергентным воздухозаборником нового типа, в котором сжатие потока происходит по
методический опыт испытаний и выполнен ряд исследований работающих моделей прямоточных двигателей различных конфигураций
и их элементов.
к&шця «ДОМСВ
ищш
151
Лйпдошвдшдои лмфпмэиь дашцммн
Конфигурации ГЛА с ВРД, исследованные экспериментально
Модели ИТПМ
Институт теоретической и прикладной механики СО РАН обладает уникальной экспериментальной базой, позволяющей проводить широкие фундаментальные исследования, связанные с проблемами создания перспективных гиперзвуковых летательных аппаратов различного назначения. Эти исследования были начаты в институте в конце 60-х годов и продолжаются в настоящее время. На фото представлены некоторые примеры конфигураций аппаратов, аэродинамические характеристики которых получены при испытаниях их моделей в аэродинамических трубах ИТПМ при скоростях потока, в 2—6 раз превышающих скорость звука
обеспечивают высокую аэродинамическую эффективность и улучшают летные свойства аппаратов при сверхвысоких скоростях.
К сожалению, создание гиперзвуковых и воздушно-космических самолетов военного назначения и тем более гражданского — дело еще далекого будущего. Но гиперзвуковые крылатые ракеты и экспериментальные аппараты с ГПВРД полетят в ближайшие 10—15 лет.
Для этого необходимо проведение научно-тех-нических исследований в этом направлении.
Технологии высокого уровня, развиваемые в связи с созданием гиперзвуковых и воздушно-космических самолетов, могут найти широкое применение в народном хозяйстве, неавиационных промышленных отраслях.
Традиционная конфигурация
гиперзвукового летательного
аппарата. Имеет фюзеляж
в виде несущего корпуса
и рудиментарные крылья.
Двигательный модуль
с воздухозаборником расположен
под нижнеи поверхностью корпуса
Конфигурация гиперзвукового летательного аппарата с двигательными трактами, расположенными по боковым сторонам несущего корпуса. Эта конфигурация имеет ряд свойств, делающих ее
в некоторых случаях альтернативной традиционной
Авторы и редакция благодарят АНТК им. А.Н. Туполева, ЦИАМ и ЛИИ, НПО «Молния» за предоставленные иллюстративные материалы
Новая конфигурация гиперзвуковых летательных аппаратов. Двигательный модуль с воздухозаборником также расположен под нижней поверхностью несущего корпуса. Но формы воздухозаборника и носовой поверхности корпуса являются поперечно-вогнутыми, что приводит к формированию конвергентных течений сжатия при сверхзвуковых скоростях и может обеспечить ряд преимуществ
ПОДРОБНЕЕ
в будущих выпусках
