В двадцать раз быстрее звука

Так может выглядеть отделение гиперзвукового летательного аппарата от ракеты-носителя.
Фото с сайта www.darpa.mil

17 ноября в США прошли первые удачные испытания гиперзвукового оружия. А 22 ноября министр обороны РФ Анатолий Сердюков заявил на коллегии военного ведомства, что создаваемая в России система воздушно-космической обороны позволит перехватывать любые ракеты, вплоть до гиперзвуковых. А о том, что наша страна обладает маневрирующими гиперзвуковыми ядерными боеголовками, способными преодолевать любую ПРО, наши лидеры заявляют с 2005 года.

СВЕРХЗВУК И ГИПЕРЗВУК

В описании характеристик скоростных летательных аппаратов используется число Маха, названное так по фамилии австрийского ученого Эрнста Маха (нем. E. Mach). Число это не имеет строго определенного цифрового значения, а в упрощенном виде является отношением скорости тела (летательного аппарата) к скорости звука в данной воздушной среде. Для приближенных расчетов число Маха (М) на высотах до 10 тыс. м принимается за 1,1–1,2 тыс. км/час.

Деление летательных аппаратов (ЛА) на дозвуковые, сверхзвуковые и гиперзвуковые отнюдь не условно, а имеет четкие физические основания. И эти три класса летательных аппаратов имеют принципиальные отличия. Сверхзвуковые ЛА могут летать со скоростью не свыше 5 М. Гиперзвуковые ЛА имеют скорость полета свыше 5 М. При этом они способны переходить к динамическому планированию на большие дальности при сохранении высокой скорости.

В США агентство передовых оборонных исследовательских проектов DARPA провело в 2003 году тендер на выполнение эскизных работ по разработке гиперзвукового летательного аппарата Falkon («Сокол»). Девять компаний получили контракты от 350 тыс. до 540 тыс. долл. На следующем этапе в том же году контракты на разработку гиперзвукового транспортного средства стоимостью от 1,2 млн. до 1,5 млн. долл. получили корпорации Andrews Space Inc. (Сиэтл), Lockheed Martin Aeronautics Co. (Палмдейл, Калифорния) и Northrop Grumman Corp. (Эль-Сегундо, Калифорния).

В рамках проекта Falkon ставились следующие задачи:

– создание единой воздушной платформы X-41/Х-43А Common Aero Vehicle (CAV) для гиперзвуковой межконтинентальной баллистической ракеты и крылатой ракеты, а также для гражданского использования;

– создание технологической концепции Hypersonic Technology Vehicle 1 (HTV-1) и ее последующего летного испытания в сентябре 2007 года (отменена);

– создание прототипа Hypersonic Technology Vehicle 2 (HTV-2) с испытанием 22 апреля 2010 года (состоялись, но неудачно);

– создание Hypersonic Technology Vehicle (HTV-3) Blackswift (проект отменен);

– создание малого носителя (ракеты-носителя) SLV и малогабаритного двигателя для проекта Х-41 CAV.

Одной из задач было создание крылатой ракеты Hypersonic Cruise Vehicle (HCV), способной за два часа преодолеть 9 тыс. морских миль (17 тыс. км) и доставить головную часть массой 12 тыс. фунтов (5500 кг). При этом полет должен происходить на очень большой высоте на скорости до 20 М.

Проект HTV-3Х Blackswift предназначался для демонстрации полета и отработки комбинированной двигательной установки из турбины и прямоточного воздушно-реактивного двигателя. Турбина должна была разогнать аппарат до примерно 3 М, а прямоточный воздушно-реактивный двигатель – до 6 М. К разработке привлекли корпорации Lockheed Martin Skunk Works, Boing, ATK. К сотрудничеству пригласили также крупнейшего производителя авиадвигателей Pratt & Whitney.

Главной задачей, по словам заместителя директора DARPA доктора Стивена Уолкера, было преодоление скептицизма – показ реально летающего гиперзвукового аппарата. Это помимо отработки технологий и тестирования конструкционных материалов. В перспективе речь шла о создании гиперзвукового пилотируемого летательного аппарата, способного взлетать по-самолетному с взлетно-посадочной полосы в США и через час-два приземляться в любой точке земного шара на такую же полосу. Однако на 2009 год программа HTV-3Х Blackswift не получила финансирования, и проект оказался закрыт.

Пока все испытательные полеты прототипов и экспериментальных моделей производятся с помощью самолетов или ракет-носителей – вертикальный старт с переходом на большой высоте к горизонтальному полету со сверхзвуковой скоростью. Дальнейший разгон до гиперзвуковой скорости, отделение летательного аппарата от носителя и его планирующий динамический полет с сохранением гиперзвуковой скорости. Для этого аппарат имеет треугольное крыло. Похожи ли реальные аппараты на те картинки, которые размещены в СМИ, этот вопрос остается открытым. Если и похожи, то скорее всего весьма отдаленно.

НЕПЕРСПЕКТИВНЫЙ ВОЛНОЛЕТ

Корпорация Boeing, занимающаяся разработкой гиперзвукового летательного аппарата X-51A Waverider («Волнолет»), построила четыре прототипа. Согласно проекту, Х-51А должен развивать скорость до 7 М. После испытаний должно быть принято решение о дальнейшем финансировании проекта или его прекращении. Сам Boeing высказывал намерение построить еще два образца для дополнительных летных тестов. Все прототипы – одноразовые. После завершения полета они будут падать в океан и восстановлению не подлежат.

При этом Х-51А не является перспективной разработкой, а служит для моделирования и отработки новых технологий. Уже на основе полученных результатов будут заказывать разработку новых образцов гиперзвукового ракетного вооружения. Однако Boeing намерен продолжить работу над Х-51А с целью создания на ее основе «умной» боевой ракеты X-51A+. Эта ракета получит способность резко менять направление полета, самостоятельно находить цель, идентифицировать ее и уничтожать в условиях активного радиоэлектронного противодействия. Соответствующие бортовые системы уже создаются при финансировании ВВС США.

Впервые образец X-51A поднялся в воздух в декабре 2009 года в качестве подвесного груза под крылом бомбардировщика B-52. В ходе экспериментального полета проводилось исследование влияния подвешенной ракеты на управляемость самолета, а также взаимодействие электронных систем X-51A и B-52. Полет длился 1,4 часа.

Первый самостоятельный испытательный полет X-51A состоялся 26 мая 2010 года. Бомбардировщик B-52 Stratofortress с X-51A на высоте 15 тыс. м над Тихим океаном сбросил подвешенную под крыло ракету. После этого разгонная ступень Waverider (ракетные ускорители) вывела аппарат на высоту в 19,8 тыс. м и разогнала ее до 4,8 М. Скорость в 5 М была достигнута на высоте в 21,3 тыс. м.

После этого включился гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель производства Pratt & Whitney Rocketdyne. Для запуска в качестве топлива использовался этилен. После этого двигатель перешел на топливо JP-7 (Jet Propellant 7, MIL-T-38219) – сложную смесь углеводородов, включая нафталин, с добавлением смазочных фторуглеродов и окислителя. Но на 110-й секунде полета произошел сбой. Однако работа двигателя восстановилась, полет продолжился, пока на 143-й секунде не случился окончательный отказ. Связь прервалась на три секунды, и операторы передали команду на самоуничтожение. Скорость в 6 М набрать не удалось. Впрочем, звучали заявления, что на первый полет ставилась задача набрать скорость только в 4,5–5 М.

Планировалось, что полет продлится 250 секунд. Израсходована была половина топлива, а причиной сбоя работы двигателя признали плохое уплотнение топливной системы. В целом испытания сочли вполне удавшимися, а результат назвали превосходным. По мнению специалистов, аппарат выполнил 90% поставленных задач. В ходе полета выяснилось, что ракета не способна разгоняться так быстро, как ожидалось, и нагревается гораздо больше, чем рассчитывали. Также происходили перебои со связью и передачей телеметрии.

По словам представителя исследовательской лаборатории ВВС США, первый полет X-51A «получил твердую четверку», а в следующий раз получит пятерку. На тот момент даже такой короткий полет аппарата нового типа выглядел победой. Ведь предыдущий рекорд длительности полета на гиперзвуковой скорости составлял всего 12 секунд. Это произошло 27 марта 2004 года при испытаниях экспериментального образца Х-43А. Тогда также использовался самолет-носитель В-52, а для разгона применили крылатую ракету Pegasus («Пегас»). Старт производился на высоте 12 км. Отделение аппарата от «Пегаса» произошло на высоте 29 км, затем включился прямоточный воздушно-реактивный двигатель, работавший 10 секунд. При скоростном планировании со снижением удалось достичь скорость в 7 М, то есть 8350 км/час. По другим данным, скорость Х-43А составила 11 265 км/ч (или 9,8 М) на высоте полета 33,5 км. Которая цифра более реальна, судить трудно, но эксперты ориентируются на меньшую. Результаты эксперимента открыли дорогу следующему проекту – Х-51А.

Во время вторых испытаний Х-51А 13 июня 2011 года история с отказом двигателя повторилась. Но в этот раз перезапустить его не удалось, и аппарат упал в воды Тихого океана возле побережья Калифорнии. И это уже было расценено как серьезная задержка в создании действующего образца. По всей видимости, проблема в прямоточном двигателе. Теперь придется понять причины сбоя, переработать конструкцию и построить новый двигатель. На это могут понадобиться годы.

ЕЩЕ ОДИН FALCON

Первый гиперзвуковой испытательный полет тестового летательного аппарата по проекту Falcon HTV-2 (Force Application and Launch from Continental United States Hypersonic Technology Vehicle) состоялся 20 апреля 2010 года. Согласно полетному заданию, HTV-2 стартовал с базы ВВС США «Ванденберг» с помощью ракеты-носителя Minotaur IV. Это конверсионный вариант МБР МХ. Экспериментальный аппарат должен был пролететь за полчаса 4100 морских миль (7600 км) и упасть в районе полигона имени Рейгана – атолла Кваджалейн (Маршалловы острова). Согласно опубликованным данным ВВС США, ракета-носитель вывела HTV-2 в верхние слои атмосферы и предположительно разогнала до скорости 20 М – около 23 тыс. км/час. При этом связь с аппаратом была утеряна, телеметрическая информация перестала поступать. Предполагается, что нарушилась стабилизация и аппарат разрушился, входя в более плотные слои атмосферы.

Наиболее вероятной причиной неудачи в DARPA посчитали ошибку с определением центра тяжести аппарата, недостаточную подвижность рулей высоты и стабилизаторов, а также отказ системы управления. При компьютерном моделировании полета появилась версия, что аппарат начал закручиваться вдоль продольной оси, система управления не смогла его стабилизировать и, когда вращение достигло некоего предела, ракета самоуничтожилась.

Главная задача экспериментов с Falcon HTV-2 – проверка технологии теплозащиты корпуса и систем управления. В конструкцию следующего аппарата внесли ряд изменений – сместили центр тяжести, добавили миниатюрные реактивные двигатели для ускоренного разворота. Второе испытание Falcon HTV-2 состоялось 11 августа 2011 года. Выход в верхние слои атмосферы, отделение от ракеты-носителя на скорости 20 М и переход к планированию прошли без сбоев. Однако при скользящем планировании начался разогрев оболочки до температуры близкой к 2000 градусов Цельсия. Полет должен был продлиться 30 минут, но через девять минут аппарат потерял стабильность полета, стал непредсказуемо кувыркаться, начались перебои связи, и последовала команда на самоуничтожение.

17 ноября 2011 года состоялся старт третьего прототипа Falcon HTV-2. Как и в предыдущих случаях, аппарат был запущен ракетой-носителем Minotaur IV, затем разогнан ракетным ускорителем AHW. Обычная боеголовка после этого летит по баллистической траектории. HTV-2 скользил в верхних слоях атмосферы на гиперзвуке. Запуск производился с полигона Pacific Missile Range на Гавайях. Примерно через полчаса аппарат, преодолев 3700 км, упал в воду в районе атолла Кваджалейн на полигоне Reagan Test Site (имени Рейгана). Эти испытания с полным основанием были признаны успешными.

В официальном заявлении Пентагона по итогам испытаний сообщалось: «Цель испытаний – сбор данных по проверке работоспособности гиперзвуковых технологий в условиях продолжительного полета в атмосфере. Упор делался на аэродинамические качества аппарата, его системы наведения, управления и контроля, а также теплозащитное покрытие. Полученная информация будет использована для усовершенствования гиперзвукового летательного аппарата».

В ряде сообщений для СМИ аппарат был назван планирующей бомбой. Но фактически это боеголовка. И вполне вероятно, что однажды США вслед за российскими лидерами объявят, что у них тоже имеются маневрирующие гиперзвуковые боеголовки для межконтинентальных баллистических ракет. А также гиперзвуковые крылатые ракеты и беспилотные боевые аппараты.