Главная  Новости  Гостевая  Комментарий  Ссылки   Дневник  English  Deutsch  Français  El español

 

Реактивные самолеты будущего

 

 

 

Фото ВКК (из отчета НИИ-1,1966 г.)

 

ВОЗДУШНО-КОСМИЧЕСКИЙ КОРАБЛЬ

 

ПЕРВЫЙ ПРОЕКТ ВОЗДУШНО-КОСМИЧЕСКОГО КОРАБЛЯ С ГИПЕРЗВУКОВЫМ ПРЯМОТОЧНЫМ ВОЗДУШНО - РЕАКТИВНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ (1966 г., СОВЕТСКИЙ СОЮЗ)

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 МОМ (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) (число Маха представляет собой отношение скорости полета летательного аппарата к скорости звука), такая силовая установка выводит космический корабль из атмосферы на околоземную орбиту при М 20, когда включаются два высотных ЖРД. Стартовый вес 150—250 тонн, полезная нагрузка 6—11 тонн.

 

Извечная мечта человечества— чтобы «люди летали как птицы» — к XXI веку сменилась на более соответствующую духу времени: «если бы самолеты летали как космические ракеты!»

 

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 (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, v1 = 7,9 км/с).

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 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 воздушно-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-технические 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 ракетно-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 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-технических 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.

 

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.

 

 

X-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 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 М = 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

 

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

 

 

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 составляла 115 тонн, одноместный орбитальный самолет — 10 тонн.

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

 

ХОЛОД

 

Гиперзвуковая летающая лаборатория для летных испытаний гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ГПВРД).

 

 

Создана на базе зенитной ракеты SA-5 (по классификации НАТО прим. paralay), 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

 

HYPER X-43A

 

Х-43 — небольшой беспилотный экспериментальный летательный аппарат. Создан по программе «Hyper-X», 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 X-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 Х- 43А превысила скорость звука в десять раз.

 

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 трубе.

 

 

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 сходящимся в пространстве направлениям. К настоящему времени в ИТПМ накоплен большой методический опыт испытаний и выполнен ряд исследований работающих моделей прямоточных двигателей различных конфигураций и их элементов.

 

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.

Традиционная конфигурация гиперзвукового летательного аппарата. Имеет фюзеляж в виде несущего корпуса и рудиментарные крылья. Двигательный модуль с воздухозаборником расположен под нижней 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.

 

 

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.

 

 

 

В. М. ФОМИН, Ю. П. ГУНЬКО, И. И. МАЖУЛЬ

 

ФОМИН Василий Михайлович — член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, директор 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)

ГУНЬКО Юрий Петрович — кандидат технических наук, зав. сектором Института теоретической и прикладной механики СО РАН (г. Новосибирск)

 

Авторы и редакция благодарят АНТК им. А. Н. Туполева, ЦИАМ и ЛИИ, НПО «Молния» за предоставленные иллюстративные материалы.

5 мая 2006 года