Hypersonická rychlost km h. Tvorba viskózních rázových vrstev

Obecná informace

Let nadzvukovou rychlostí je součástí režimu nadzvukového letu a je prováděn v nadzvukovém proudění plynu. Nadzvukové proudění vzduchu se zásadně liší od podzvukového a dynamika letu letadla při rychlostech nad rychlostí zvuku (nad 1,2 M) se zásadně liší od podzvukového letu (do 0,75 M; rozsah rychlostí od 0,75 do 1,2 M se nazývá transsonická rychlost ).

Stanovení spodní hranice hypersonické rychlosti je obvykle spojeno s nástupem procesů ionizace a disociace molekul v mezní vrstvě (BL) v blízkosti vozidla pohybujícího se v atmosféře, ke kterému začíná docházet přibližně při 5 M. Také daná rychlost vyznačující se tím, že podzvukový spalovací náporový motor ("náporový motor") se stává nepoužitelným v důsledku extrémně vysokého tření, ke kterému dochází při brzdění procházejícího vzduchu u motoru tohoto typu. V oblasti hypersonických rychlostí je tedy pro pokračování letu možné použít pouze raketový motor nebo hypersonický nápor (scramjet) s nadzvukovým spalováním paliva.

Průtokové charakteristiky

Zatímco definice hypersonického proudění (HS) je dosti kontroverzní kvůli nedostatku jasné hranice mezi nadzvukovým a hypersonickým prouděním, HS lze charakterizovat určitými fyzikálními jevy, které již nelze při uvažování ignorovat, jmenovitě:

Tenká vrstva rázové vlny

Jak se zvyšuje rychlost a odpovídající Machova čísla, zvyšuje se také hustota za rázovou vlnou (SW), což odpovídá poklesu objemu za rázem v důsledku zachování hmoty. Proto vrstvěte rázová vlna to znamená, že objem mezi přístrojem a rázovou vlnou se při vysokých Machových číslech ztenčuje a vytváří tenkou hraniční vrstvu (BL) kolem přístroje.

Tvorba viskózních rázových vrstev

Část velké kinetické energie obsažené v proudu vzduchu při M > 3 (viskózní tok) se přemění na vnitřní energii v důsledku viskózní interakce. Zvýšení vnitřní energie se realizuje zvýšením teploty. Vzhledem k tomu, že tlakový gradient kolmý k proudění v mezní vrstvě je přibližně nulový, výrazné zvýšení teploty při vysokých Machových číslech vede ke snížení hustoty. PS na povrchu vozidla tedy roste a při vysokých Machových číslech se spojuje s tenkou vrstvou rázové vlny v blízkosti přídě a vytváří viskózní rázovou vrstvu.

Výskyt vln nestability v PS, které nejsou charakteristické pro sub- a nadzvukové proudění

Vysokoteplotní proudění

Vysokorychlostní proudění v předním bodě zařízení (brzdný bod nebo oblast) způsobuje zahřátí plynu na velmi vysoké teploty (až několik tisíc stupňů). Vysoké teploty, zase vytvářejí nerovnovážné chemické vlastnosti toku, které spočívají v disociaci a rekombinaci molekul plynu, ionizaci atomů, chemických reakcích v toku a s povrchem aparátu. Za těchto podmínek mohou být významné procesy konvekce a přenosu tepla sáláním.

Parametry podobnosti

Parametry toků plynů jsou obvykle popsány sadou kritérií podobnosti, která umožňují redukovat téměř nekonečný počet fyzikálních stavů do skupin podobnosti a která umožňují porovnávat toky plynu s různými fyzikálními parametry (tlak, teplota, rychlost atd.). .) jeden s druhým. Právě na tomto principu jsou založeny experimenty v aerodynamických tunelech a přenos výsledků těchto experimentů do skutečných letadel, a to i přesto, že při experimentech na trubkách se velikost modelů, rychlosti proudění, tepelné zatížení atd. mohou značně lišit od skutečných letové podmínky, zároveň parametry podobnosti (Machova čísla, Reynoldsova čísla, Stantonova čísla atd.) odpovídají letovým.

Pro transsonické a nadzvukové nebo stlačitelné proudění ve většině případů postačují k úplnému popisu proudění takové parametry, jako je Machovo číslo (poměr rychlosti proudění k místní rychlosti zvuku) a Reynolds. Pro hypersonické proudění jsou tyto parametry často nedostatečné. Za prvé, rovnice popisující tvar rázové vlny se stávají prakticky nezávislými při rychlostech od 10 M. Za druhé, zvýšená teplota hypersonického proudění znamená, že se projeví účinky související s neideálními plyny.

Vezmeme-li v úvahu účinky v reálném plynu, znamená to, že k úplnému popisu stavu plynu je zapotřebí větší počet proměnných. Pokud je stacionární plyn kompletně popsán třemi veličinami: tlakem, teplotou, tepelnou kapacitou (adiabatický index) a pohybující se plyn je popsán čtyřmi proměnnými, které zahrnují i rychlost, pak horký plyn v chemické rovnováze také vyžaduje stavové rovnice pro jeho chemické složky a plyn s procesy disociace a ionizace musí také zahrnovat čas jako jednu z proměnných jeho stavu. Obecně to znamená, že v libovolném zvoleném čase vyžaduje nerovnovážné proudění 10 až 100 proměnných k popisu stavu plynu. Navíc, zředěný hypersonický tok (HF), obvykle popisovaný pomocí Knudsenových čísel, se neřídí Navier-Stokesovými rovnicemi a vyžaduje jejich úpravu. HP je obvykle kategorizováno (nebo klasifikováno) pomocí celkové energie, vyjádřené pomocí celkové entalpie (mJ/kg), celkového tlaku (kPa) a teploty stagnace průtoku (K) nebo rychlosti (km/s).

Ideální plyn

V v tomto případě Procházející proud vzduchu lze považovat za ideální proudění plynu. GP v tomto režimu stále závisí na Machových číslech a simulace se řídí spíše teplotními invarianty než adiabatickou stěnou, která se vyskytuje při nižších rychlostech. Spodní mez této oblasti odpovídá rychlostem kolem 5 Mach, kde se trysky SPV podzvukového spalování stávají neúčinnými, a horní hranice odpovídá rychlostem v oblasti 10-12 Mach.

Ideální plyn se dvěma teplotami

Část pouzdra vysokorychlostního proudění ideálního plynu, ve kterém lze procházející proud vzduchu považovat za chemicky ideální, ale vibrační teplota a rotační teplota plynu musí být uvažovány odděleně, což vede ke dvěma samostatným teplotním modelům. To je zvláště důležité při konstrukci nadzvukových trysek, kde se stává důležitým vibrační chlazení v důsledku molekulárního buzení.

Disociovaný plyn

Režim dominance přenosu záření

Při rychlostech nad 12 km/s začíná k přenosu tepla do aparatury docházet především radiálním přenosem, který spolu s rostoucí rychlostí začíná převládat nad přenosem termodynamickým. Modelování plynu je v tomto případě rozděleno do dvou případů:

opticky tenký - v tomto případě se předpokládá, že plyn zpětně neabsorbuje záření, které pochází z jeho jiných částí nebo vybraných jednotek objemu;
opticky tlustý - kde se zohledňuje absorpce záření plazmatem, které je následně zpětně vyzařováno včetně na tělo zařízení.

Modelování opticky tlustých plynů je složitý úkol, protože v důsledku výpočtu přenosu záření v každém bodě toku objem výpočtů roste exponenciálně s počtem uvažovaných bodů.

Typické osobní letadlo letí rychlostí asi 900 km/h. Vojenská stíhačka může dosáhnout přibližně trojnásobné rychlosti. Moderní inženýři z Ruské federace a dalších zemí světa však aktivně vyvíjejí ještě rychlejší stroje – hypersonická letadla. Jaká jsou specifika příslušných pojmů?

Kritéria pro hypersonické letadlo

Co je to hypersonické letadlo? Obvykle se tím rozumí zařízení schopné létat rychlostí mnohonásobně vyšší, než je rychlost zvuku. Přístupy výzkumníků ke stanovení jeho specifického ukazatele se liší. Běžnou metodikou je, že letadlo by mělo být považováno za hypersonické, pokud je násobkem ukazatelů rychlosti nejrychlejších moderních nadzvukových vozidel. Což jsou cca 3-4 tisíce km/h. To znamená, že hypersonické letadlo, pokud se budete držet této metodiky, musí dosáhnout rychlosti 6 tisíc km/h.

Bezpilotní a řízená vozidla

Přístupy výzkumníků se mohou lišit také z hlediska stanovení kritérií pro klasifikaci konkrétního zařízení jako letadla. Existuje verze, že jako takové lze klasifikovat pouze stroje, které ovládá osoba. Existuje názor, podle kterého lze za letadlo považovat i bezpilotní prostředek. Někteří analytici proto klasifikují stroje daného typu na ty, které podléhají lidské kontrole, a ty, které fungují autonomně. Takové rozdělení může být oprávněné, protože bezpilotní vozidla mohou mít mnohem působivější technické vlastnosti, například pokud jde o přetížení a rychlost.

Mnoho výzkumníků přitom považuje hypersonická letadla za jediný koncept, pro který klíčový indikátor- Rychlost. Nezáleží na tom, zda člověk sedí u kormidla zařízení nebo je stroj řízen robotem - hlavní věc je, že letadlo je dostatečně rychlé.

Vzlétnout – samostatně nebo s cizí pomocí?

Běžná klasifikace hypersonických letadlo, která je založena na jejich zařazení do kategorie těch, které jsou schopny vzlétnout samy, nebo těch, které vyžadují umístění na výkonnější nosič - raketu nebo nákladní letadlo. Existuje hledisko, podle kterého je správné mezi zařízení uvažovaného typu zařadit především ty, které jsou schopny vzlétnout samostatně nebo s minimálním zapojením jiných typů zařízení. Nicméně ti výzkumníci, kteří se domnívají, že hlavní kritérium charakterizující hypersonické letadlo, rychlost, by mělo být prvořadé v jakékoli klasifikaci. Zda je zařízení klasifikováno jako bezobslužné, řízené, schopné vzlétnout samo nebo s pomocí jiných strojů - pokud odpovídající indikátor dosáhne výše uvedených hodnot, znamená mluvíme o tom o hypersonických letadlech.

Hlavní problémy hypersonických řešení

Koncepty hypersonických řešení jsou staré mnoho desetiletí. Světoví inženýři v průběhu let vývoje odpovídajícího typu zařízení řeší řadu významných problémů, které objektivně brání uvedení výroby „hypersonik“ do výroby – podobně jako organizování výroby turbovrtulových letadel.

Hlavním problémem při navrhování hypersonických letadel je vytvoření motoru, který může být dostatečně energeticky účinný. Dalším problémem je seřazení potřebného aparátu. Faktem je, že rychlost hypersonického letadla v hodnotách, o kterých jsme hovořili výše, znamená silné zahřívání těla v důsledku tření s atmosférou.

Dnes se podíváme na několik příkladů úspěšných prototypů letadel odpovídajícího typu, jejichž vývojáři dokázali výrazně pokročit v úspěšném řešení uvedených problémů. Podívejme se nyní na nejslavnější světový vývoj z hlediska vytváření hypersonických letadel daného typu.

od Boeingu

Nejrychlejším hypersonickým letadlem na světě je podle některých odborníků americký Boeing X-43A. Při testování tohoto zařízení tedy bylo zaznamenáno, že dosahovalo rychlosti přesahující 11 tisíc km/h. To je přibližně 9,6krát rychlejší

Co je na hypersonickém letounu X-43A obzvláště pozoruhodného? Vlastnosti tohoto letadla jsou následující:

Maximální rychlost zaznamenaná při testech je 11 230 km/h;

Rozpětí křídel - 1,5 m;

Délka těla - 3,6 m;

Motor - přímoproudý, nadzvukový spalovací nápor;

Palivo - atmosférický kyslík, vodík.

Lze poznamenat, že předmětné zařízení je jedním z nejekologičtějších. Faktem je, že použité palivo prakticky nevypouští škodlivé produkty spalování.

Hypersonický letoun X-43A byl vyvinut společně inženýry NASA, Orbical Science Corporation a Minocraft. vznikla asi před 10 lety. Do jeho rozvoje bylo investováno asi 250 milionů dolarů. Koncepční novinkou dotyčného letounu je, že byl koncipován za účelem testování poslední technologie zajištění provozu motorové trakce.

Vývoj z orbitální vědy

Společnosti Orbital Science, která se, jak jsme poznamenali výše, podílela na vzniku X-43A, se také podařilo vytvořit vlastní hypersonický letoun - X-34.

Jeho maximální rychlost je více než 12 tisíc km/h. Pravda, při praktických zkouškách toho nebylo dosaženo - navíc nebylo možné dosáhnout ukazatele, který ukazoval letoun X43-A. Dotyčné letadlo je zrychleno, když je aktivována raketa Pegasus, která funguje na pevné palivo. X-34 byl poprvé testován v roce 2001. Dotyčný letoun je výrazně větší než letoun Boeing - jeho délka je 17,78 m, rozpětí křídel je 8,85 m. Maximální výška letu hypersonického vozidla od Orbical Science je 75 kilometrů.

Letadla ze Severní Ameriky

Dalším slavným hypersonickým letadlem je X-15, vyráběný společností North American. Analytici klasifikují toto zařízení jako experimentální.

Je vybaven, což dává některým odborníkům důvod jej neklasifikovat ve skutečnosti jako letadlo. Přítomnost raketových motorů však umožňuje zařízení zejména provádět So, při jednom z testů v tomto režimu jej otestovali piloti. Účelem zařízení X-15 je studovat specifika hypersonických letů, hodnotit určitá konstrukční řešení, nové materiály a ovládací prvky takových strojů v různých vrstvách atmosféry. Je pozoruhodné, že byl schválen již v roce 1954. X-15 letí rychlostí více než 7 tisíc km/hod. Jeho letový dosah je více než 500 km, jeho výška přesahuje 100 km.

Nejrychlejší sériové letadlo

Hypersonická vozidla, která jsme studovali výše, ve skutečnosti patří do kategorie výzkumu. Bude užitečné zvážit některé produkční modely letadel, které se svými vlastnostmi blíží hypersonickým nebo jsou (podle té či oné metodiky) hypersonickými.

Mezi takové stroje patří americký vývoj SR-71. Někteří výzkumníci nejsou nakloněni klasifikaci tohoto letadla jako hypersonického, protože jeho maximální rychlost je asi 3,7 tisíc km/h. Mezi jeho nejpozoruhodnější vlastnosti patří jeho vzletová hmotnost, která přesahuje 77 tun. Délka zařízení je více než 23 m, rozpětí křídel je více než 13 m.

Ruský MiG-25 je považován za jeden z nejrychlejších vojenských letounů. Zařízení dokáže dosáhnout rychlosti více než 3,3 tisíce km/h. Maximální vzletová hmotnost ruské letadlo- 41 tun.

Na trhu sériových řešení blízkých vlastnostem hypersonickým tak patří Ruská federace mezi lídry. Ale co lze říci o ruském vývoji ohledně „klasických“ hypersonických letadel? Jsou inženýři z Ruské federace schopni vytvořit řešení, které bude konkurenceschopné strojům Boeing a Orbital Scence?

Ruská hypersonická vozidla

V tento moment Ruské hypersonické letadlo je ve vývoji. Ale jde to docela aktivně. Mluvíme o letounu Yu-71. Jeho první testy, soudě podle zpráv z médií, byly provedeny v únoru 2015 poblíž Orenburgu.

Předpokládá se, že letoun bude sloužit pro vojenské účely. Hypersonické vozidlo tak bude schopno v případě potřeby doručit ničivé zbraně na značné vzdálenosti, monitorovat území a také být použito jako prvek útočného letadla. Někteří vědci se domnívají, že v letech 2020-2025. Strategické raketové síly obdrží asi 20 letadel odpovídajícího typu.

V médiích se objevují informace, že dotyčný ruský hypersonický letoun bude namontován na balistickou střelu Sarmat, která je rovněž ve fázi návrhu. Někteří analytici se domnívají, že vyvíjené hypersonické vozidlo Yu-71 není nic jiného než hlavice, kterou bude nutné v konečné fázi letu oddělit od balistické střely a poté, díky vysoké manévrovací schopnosti letadla, překonat protiraketovou obranu. systémy.

Projekt "Ajax"

Mezi nejvýznamnější projekty související s vývojem hypersonických letadel patří Ajax. Pojďme si to prostudovat podrobněji. Hypersonický letoun Ajax je koncepčním vývojem sovětských inženýrů. Ve vědecké komunitě se o tom začalo mluvit již v 80. letech. Mezi nejpozoruhodnější vlastnosti patří přítomnost systému tepelné ochrany, který je navržen tak, aby chránil pouzdro před přehřátím. Vývojáři aparátu Ajax tedy navrhli řešení jednoho z „nadzvukových“ problémů, které jsme identifikovali výše.

Tradiční schéma tepelné ochrany pro letadla zahrnuje umístění speciálních materiálů na tělo. Vývojáři Ajaxu navrhli jiný koncept, podle kterého nemělo zařízení chránit před vnějším teplem, ale nechat teplo uvnitř stroje a zároveň zvýšit jeho energetický zdroj. Za hlavního konkurenta sovětského letounu byl považován hypersonický letoun „Aurora“, vytvořený v USA. Vzhledem k tomu, že konstruktéři ze SSSR výrazně rozšířili možnosti konceptu, byla novému vývoji přidělena široká škála úkolů, zejména výzkumných. Dá se říci, že Ajax je hypersonické víceúčelové letadlo.

Podívejme se blíže na technologické novinky navržené inženýry ze SSSR.

Sovětští vývojáři Ajaxu tedy navrhli využít teplo vznikající v důsledku tření těla letadla s atmosférou a přeměnit ho na užitečnou energii. Technicky by to mohlo být realizováno umístěním dalších mušlí na zařízení. V důsledku toho vzniklo něco jako druhý sbor. Jeho dutina měla být vyplněna jakýmsi katalyzátorem, například směsí hořlavého materiálu a vody. Tepelně-izolační vrstva z pevného materiálu v Ajaxu měla být nahrazena tekutou, která měla na jedné straně chránit motor, na druhé podporovat katalytickou reakci, která by mezitím mohla být doprovázeno endotermickým efektem - pohybem tepla z vnějších částí těla dovnitř. Chlazením vnějších částí zařízení může být teoreticky cokoliv. Přebytečné teplo mělo být zase využito ke zvýšení účinnosti leteckého motoru. Tato technologie by zároveň umožnila generovat volný vodík jako výsledek reakce paliva.

V tuto chvíli nejsou široké veřejnosti dostupné informace o pokračování vývoje Ajaxu, nicméně implementaci sovětských konceptů do praxe považují badatelé za velmi perspektivní.

Čínská hypersonická vozidla

Čína se stává konkurentem Ruska a Spojených států na trhu hypersonických řešení. Mezi nejznámější vývoj inženýrů z Číny patří letoun WU-14. Jedná se o hypersonický řízený kluzák namontovaný na balistické střele.

ICBM vypustí letadlo do vesmíru, odkud se vozidlo prudce ponoří dolů a vyvine hypersonickou rychlost. Čínské zařízení lze namontovat na různé ICBM s dosahem od 2 do 12 tisíc km. Bylo zjištěno, že při testech WU-14 dokázal dosáhnout rychlosti přesahující 12 tisíc km/h a stal se tak podle některých analytiků nejrychlejším hypersonickým letounem.

Mnoho badatelů se přitom domnívá, že klasifikovat čínský vývoj jako letadlo není zcela legitimní. Existuje tedy rozšířená verze, podle které by mělo být zařízení klasifikováno konkrétně jako hlavice. A velmi efektivní. Při letu směrem dolů vyznačenou rychlostí i tou největší moderní systémy Systém protiraketové obrany nebude schopen zaručit zachycení odpovídajícího cíle.

Lze poznamenat, že voj hypersonická vozidla Do vojenských aktivit se zapojují i Rusko a Spojené státy. Ruská koncepce, podle níž má vytvářet stroje příslušného typu, se přitom výrazně liší, jak dokládají údaje v některých médiích, od technologických principů realizovaných Američany a Číňany. Vývojáři z Ruské federace tak soustřeďují své úsilí v oblasti vytváření letadel vybavených náporovým motorem, který lze spustit ze země. Rusko plánuje v tomto směru spolupracovat s Indií. Hypersonická vozidla vytvořená podle ruského konceptu se podle některých analytiků vyznačují nižší cenou a širší škálou aplikací.

Současně ruský hypersonický letoun, který jsme zmínili výše (Yu-71), navrhuje, jak se někteří analytici domnívají, nasazení na ICBM. Pokud se tato teze ukáže jako správná, pak můžeme říci, že inženýři z Ruské federace pracují současně ve dvou populárních koncepčních směrech při konstrukci hypersonických letadel.

souhrn

Pravděpodobně nejrychlejším hypersonickým letadlem na světě, pokud mluvíme o letadlech bez ohledu na jejich klasifikaci, je tedy stále čínský WU-14. I když musíte pochopit, že skutečné informace o něm, včetně těch, které se týkají testů, mohou být klasifikovány. To je zcela v souladu s principy čínských vývojářů, kteří se často snaží své vojenské technologie za každou cenu utajit. Rychlost nejrychlejšího hypersonického letadla je více než 12 tisíc km/h. Americký vývoj X-43A to „dohání“ - mnozí odborníci jej považují za nejrychlejší. Teoreticky může hypersonický letoun X-43A, stejně jako čínský WU-14, dohnat vývoj z Orbical Science, určený pro rychlost více než 12 tisíc km/h.

Charakteristiky ruského letounu Yu-71 nejsou zatím široké veřejnosti známy. Je dost možné, že se budou blížit parametrům čínského letounu. Ruští inženýři také vyvíjejí hypersonické letadlo schopné vzlétnout nezávisle, spíše než založené na ICBM.

Současné projekty výzkumníků z Ruska, Číny a Spojených států tak či onak souvisí s vojenskou sférou. Hypersonická letadla bez ohledu na jejich možnou klasifikaci jsou považována především za nosiče zbraní, nejspíše jaderných. Nicméně v pracích badatelů z různé země Po celém světě existují teze, že „hypersound“, podobně jako jaderná technologie, může být klidně mírový.

Je to na vzniku cenově dostupných a spolehlivých řešení, která vám umožní organizovat se masová produkce stroje příslušného typu. Použití takových zařízení je možné v nejširším spektru odvětví ekonomického rozvoje. Hypersonická letadla pravděpodobně najdou největší poptávku ve vesmírném a výzkumném průmyslu.

S tím, jak zlevňují výrobní technologie pro odpovídající stroje, zájem investovat do podobné projekty se může začít projevovat dopravní podniky. Průmyslové korporace a poskytovatelé různých služeb mohou začít uvažovat o „hypersonickém“ jako o nástroji pro zvýšení konkurenceschopnosti podniků z hlediska organizace mezinárodní komunikace.

V lednu došlo k významné události: Klub majitelů hypersonických technologií byl doplněn o nového člena. 9. ledna 2015 Čína testovala hypersonický kluzák s názvem WU-14. Jedná se o řízené vozidlo, které je namontováno na mezikontinentální balistické střele (ICBM). Raketa zvedne kluzák do vesmíru, načež se kluzák střemhlav vrhne k cíli a vyvine rychlost tisíců kilometrů za hodinu.

Podle Pentagonu lze čínské hypersonické vozidlo WU-14 instalovat na různé čínské balistické střely s dosahem od 2 tisíc do 12 tisíc km. Při lednových testech WU-14 dosáhl rychlosti 10 Mach, což je více než 12,3 tisíce km/h. Moderní systémy protivzdušné obrany nejsou schopny spolehlivě zasáhnout manévrující cíl letící takovou rychlostí. Čína se tak stala po Spojených státech a Rusku třetí zemí, která vlastní technologii hypersonických nosičů jaderných a konvenčních zbraní.

Hypersonický kluzák HTV-2 se odděluje od horního stupně (USA)

Spojené státy a Čína pracují na podobných návrzích hypersonických kluzáků, které jsou zpočátku posíleny tím, že jsou zvednuty do vysoké výšky nosnou raketou a poté zrychleny během řízeného sestupu z vysokých výšek. Výhodami takového systému je velký dosah (až globální zásah na kterýkoli bod na zemském povrchu), relativně jednoduchá konstrukce kluzáku (žádný pohonný motor), velká hmotnost bojové hlavice a vysoká rychlost letu (více než 10 Mach).

Rusko se zaměřuje na vývoj hypersonických náporových (scramjet) střel, které lze odpalovat ze země, lodí nebo bojových letadel. Existuje rusko-indický projekt na vývoj takových zbraňových systémů, aby se do roku 2023 mohla do „hypersonického klubu“ připojit i Indie. Výhodou hypersonických střel je jejich nižší cena a větší flexibilita použití, na rozdíl od kluzáků odpalovaných pomocí ICBM.

Experimentální hypersonická raketa s scramjet X-51A WaveRider (USA)

Oba typy hypersonických zbraní mohou nést konvenční nebo jaderné zbraně. bojová jednotka(Bojová hlavice). Odborníci z Australian Strategic Policy Institute vypočítali, že kinetická energie dopadu hypersonické hlavice (bez vysoce výbušné nebo jaderné hlavice) o hmotnosti 500 kg a rychlosti 6 M z hlediska způsobené destrukce je srovnatelná s detonace hlavice konvenční podzvukové střely AGM-84 Harpoon, vybavené hlavicí s výbušnou hmotností asi 100 kg. To je jen čtvrtina palebné síly ruské protilodní střely P-270 Moskit s výbušnou hmotností 150 kg a rychlostí 4 Mach.

Zdálo by se, že hypersonické zbraně nejsou o moc lepší než stávající nadzvukové zbraně, ale vše není tak jednoduché. Faktem je, že hlavice balistických raket jsou snadno detekovány na velké vzdálenosti a padají po předvídatelné dráze. A přestože jejich rychlost je obrovská, moderní počítačová technologie umožnila zachytit hlavice během fáze sestupu, jak s různou úspěšností prokázal americký systém protiraketové obrany.

Hypersonické letouny se přitom k cíli přibližují po relativně ploché dráze, zůstávají krátkou dobu ve vzduchu a mohou manévrovat. Ve většině scénářů nejsou moderní systémy protivzdušné obrany schopny detekovat a zasáhnout hypersonický cíl v krátkém časovém úseku.

Hypersonická raketa s rychlostí 6 M uletí vzdálenost z Londýna do New Yorku za pouhou 1 hodinu

Moderní protiletadlové střely prostě nebudou schopny dostihnout hypersonický cíl, například protiletadlová střela raketový komplex S-300 dokáže zrychlit na rychlost 7,5 Mach, a i to jen na krátkou dobu. Cíl s rychlostí kolem 10 M pro něj tedy bude v naprosté většině případů „příliš tvrdý“. Kromě toho lze letalitu hypersonických zbraní zvýšit použitím kazetové hlavice: vysokorychlostní šrapnely z wolframových „hřebíků“ mohou vyřadit z provozu průmyslové zařízení, velkou loď nebo zničit koncentraci pracovní síly a obrněných vozidel nad velkým plocha.

Šíření hypersonických zbraní schopných projít jakýmkoli systémem protivzdušné obrany vyvolává nové otázky zajištění globální bezpečnosti a vojenské parity. Pokud v této oblasti nebude dosaženo rovnovážného odstrašení, jako je tomu u jaderných zbraní, hypersonické údery by se mohly stát běžným nástrojem nátlaku, protože jen pár hypersonických hlavic může zničit ekonomiku malé země.

Americký program rychlého globálního úderu pomocí hypersonických zbraní umožní podle propočtů Pentagonu do hodiny zasáhnout jakýkoli cíl kdekoli na světě, aniž by došlo k radiační kontaminaci oblasti. I v případě jaderného konfliktu dokáže systém částečně nahradit jaderné zbraně, přičemž zasáhne až 30 % cílů.

Členové „hypersonického klubu“ tak budou mít příležitost téměř zaručit zničení kritické infrastruktury nepřítele, například elektráren, armádních řídicích center, vojenských základen, velká města a průmyslová zařízení. Podle expertů zbývá 10-15 let, než se objeví první produkční modely hypersonických zbraní, takže je ještě čas vypracovat politické dohody omezující použití takových zbraní v lokálních konfliktech. Pokud takové dohody nejsou dosaženy, existuje vysoké riziko i větší humanitární katastrofy spojené s použitím nových zbraní.

Obecná informace

Stanovení spodní hranice hypersonické rychlosti je obvykle spojeno se začátkem procesů ionizace a disociace molekul v mezní vrstvě (BL) v blízkosti vozidla pohybujícího se v atmosféře, ke kterému začíná docházet přibližně při 5 M. Tato rychlost se také vyznačuje tím, že náporový motor (“ Náporový nápor podzvukového spalování („Sramjet“) se stává nepoužitelným kvůli extrémně vysokému tření, ke kterému dochází při zpomalování proudícího vzduchu u tohoto typu motoru. V oblasti hypersonických rychlostí je tedy pro pokračování letu možné použít pouze raketový motor nebo hypersonický nápor (scramjet) s nadzvukovým spalováním paliva.

Průtokové charakteristiky

Tenká vrstva rázové vlny

Jak se zvyšuje rychlost a odpovídající Machova čísla, zvyšuje se také hustota za rázovou vlnou (SW), což odpovídá poklesu objemu za rázem v důsledku zachování hmoty. Vrstva rázové vlny, tedy objem mezi zařízením a rázovou vlnou, se proto při vysokých Machových číslech ztenčuje a vytváří kolem zařízení tenkou mezní vrstvu (BL).

Tvorba viskózních rázových vrstev

Výskyt vln nestability v PS, které nejsou charakteristické pro sub- a nadzvukové proudění

Vysokoteplotní proudění

Vysokorychlostní proudění v předním bodě zařízení (brzdný bod nebo oblast) způsobuje zahřátí plynu na velmi vysoké teploty (až několik tisíc stupňů). Vysoké teploty zase vytvářejí nerovnovážné chemické vlastnosti toku, které spočívají v disociaci a rekombinaci molekul plynu, ionizaci atomů, chemických reakcích v toku a s povrchem aparatury. Za těchto podmínek mohou být významné procesy konvekce a přenosu tepla sáláním.

Parametry podobnosti

Je zvykem popisovat parametry toků plynů sadou kritérií podobnosti, která umožňují redukovat téměř nekonečný počet fyzikálních stavů do skupin podobnosti a která umožňují porovnávat toky plynů s různými fyzikálními parametry (tlak, teplota, rychlost atd.) mezi sebou. Právě na tomto principu jsou založeny experimenty v aerodynamických tunelech a přenos výsledků těchto experimentů do skutečných letadel, a to i přesto, že při experimentech na trubkách se velikost modelů, rychlosti proudění, tepelné zatížení atd. mohou značně lišit od skutečných letové podmínky, zároveň parametry podobnosti (Machova čísla, Reynoldsova čísla, Stantonova čísla atd.) odpovídají letovým.

Ideální plyn

V tomto případě lze procházející proud vzduchu považovat za ideální proudění plynu. GP v tomto režimu stále závisí na Machových číslech a simulace se řídí spíše teplotními invarianty než adiabatickou stěnou, která se vyskytuje při nižších rychlostech. Spodní mez této oblasti odpovídá rychlostem kolem 5 Mach, kde se trysky SPV podzvukového spalování stávají neúčinnými, a horní hranice odpovídá rychlostem v oblasti 10-12 Mach.

Ideální plyn se dvěma teplotami

Disociovaný plyn

Režim dominance přenosu záření

opticky tenký - v tomto případě se předpokládá, že plyn zpětně neabsorbuje záření, které pochází z jeho jiných částí nebo vybraných jednotek objemu;
opticky tlustý - kde se zohledňuje absorpce záření plazmatem, které je následně zpětně vyzařováno včetně na tělo zařízení.

Modelování opticky tlustých plynů je složitý úkol, protože v důsledku výpočtu přenosu záření v každém bodě toku objem výpočtů roste exponenciálně s počtem uvažovaných bodů.

viz také

Poznámky

Odkazy

Anderson John Hypersonická a vysokoteplotní dynamika plynu druhé vydání. - AIAA Education Series, 2006. - ISBN 1563477807
NASA's Guide to Hypersonics (anglicky).

Tento týden proběhl již třetí zkušební let amerického hypersonického letounu (HLA) X-51 AWaveRider, prototypu nadějné střely. Nicméně 15 sekund po startu, ještě předtím, než začal fungovat hlavní motor, WaveRider ztratil kontrolu a spadl do oceánu.

Neuspěl ani předchozí test, který proběhl loni – akcelerátor, který zrychluje zařízení na otáčky potřebné pro nastartování hlavního motoru, nefungoval včas a neoddělil se. Dříve, v roce 2010, však motor „stroje“ dokázal fungovat 200 sekund (plánováno bylo 300), čímž se zařízení zrychlilo na pět rychlostí zvuku (5M). Jeho doba provozu tak ztrojnásobila dosavadní rekord rusko-sovětské hypersonické létající laboratoře (HFL) Kholod. Na rozdíl od domácího zařízení přitom „Američan“ používal jako palivo spíše letecký petrolej než vodík.

Nynější neúspěch jistě zpomalí americký hypersonický program, na který byly vynaloženy 2 miliardy dolarů, to však nic nemění na tom, že Spojené státy již pro tento program mají klíčovou technologii – funkční prototyp hypersonického dýchání vzduchu. motor (scramjet, aka scramjet).

Potenciálně jsou takové motory schopny zrychlit letadlo na 17 rychlostí zvuku na vodík a až 8 na uhlovodíkové palivo. K jeho fungování je však nutné dosáhnout stabilního spalování paliva v nadzvukovém proudění vzduchu – což podle jednoho z vývojářů není o nic jednodušší, než udržet zapálenou zápalku v epicentru hurikánu. Není to však tak dávno, co se věřilo, že je to v zásadě nemožné při použití uhlovodíkového paliva a jediným vhodným palivem pro motory scramjet byl výbušný vodík, který způsobuje provozní potíže a „nafukuje“ objem palivových nádrží kvůli své nízké hustotě. . Od roku 2004 však Západ provedl řadu relativně úspěšných testů letadel – jak vodíkových, tak „petrolejových“.

Jaký je praktický význam dvoumiliardového programu? Konstrukční rychlost X-51 je 7M (asi 7 tisíc km/h pro výšku 20 km), konstrukční dolet je 1600 km, výška letu je asi 25 km. Jinými slovy, z hlediska „dosahu“ přibližně odpovídá řízené střele BGM-109 Tomohavk (1600 km, s jadernou hlavicí - 2500 km) nebo balistické střele středního doletu - například vyřazené z provozu pod Pershingem. -2 smlouva INF (1770 km). Jaké jsou výhody „vlnárny“ oproti „konkurentům“?

BGM-109 má podzvukovou rychlost 880 km/h. Let na maximální dolet tedy trvá asi dvě hodiny. Během této doby může být střela detekována a zničena a cíl se může pohybovat. Samozřejmě, že řízená střela letící ve výšce asi 60 m nad zemí a mající nízkou radarovou signaturu již jen díky své velikosti je velmi problematickým cílem protivzdušné obrany. Známé jsou ale i úspěšné příklady obrany napadených objektů z Tomahawků – například Iráčanů jaderné centrum během Pouštní bouře.

Balistická střela s doletem stejného řádu má průměrnou rychlost asi 10 tisíc km/h. Za prvé, „balistiku“ lze z vesmíru detekovat již v okamžiku startu - působivá pochodeň z funkčních raketových motorů je zcela jasně viditelná. Za druhé, maximální výška Dráhy balistických střel s takovým dosahem se blíží 400 km, takže se na radarech protiraketové obrany „ukazují“ poměrně brzy. Za třetí, „balistika“ je nemanévrovací cíl, který umožňuje zachytit je i protiletadlovými střelami namířenými na vedoucí bod. Obecně s moderní vývoj protiraketové obranné systémy, balistická střela středního doletu je poměrně zranitelným cílem.

Přitom balistické střely jsou fenomenální neúčinná náprava dodávka založená na poměru hmotnosti startu a užitečného zatížení. Chemické raketové motory kombinují obrovský tah s ještě monstróznější obžerstvím a balistické lety jsou v zásadě energeticky náročné. Výsledkem bylo, že například Pershing 2 se startovací hmotností 7,4 tuny nesl bojovou hlavici o hmotnosti 399 kg. Pro srovnání, Tomahawky unesou téměř stejné množství s vlastní hmotností asi jeden a půl tuny.

Nyní to srovnejme s hypersonickými střelami. Rychlost a doba letu jsou obecně srovnatelné s Pershingem 2. Současně X-51 za prvé používá mnohem ekonomičtější vzduchový proudový motor. Za druhé, nestoupá do výšky 400 km a „hlásí“ svou přítomnost všem okolním radarům protiraketové obrany. Za třetí, je schopen aktivně manévrovat. Všimněte si, že jak ukázaly testy provedené v roce 2007 švédským SaabBoforsem, při rychlostech 5,5 M jsou možné složité manévry i v hustých vrstvách atmosféry. Výsledkem je, že zachycení WaveRidera je možné pouze tehdy, pokud je stíhač výrazně lepší než druhý v rychlosti a manévrovatelnosti. Nyní prostě žádné takové interceptory nejsou.

Stávající systémy protiraketové obrany také nejsou schopny bojovat s hypersonickými střelami třídy X-51. Navíc i v případě zásadní možnosti zničení vysoká rychlost cíle prudce zmenšuje záchytnou zónu.

Jinými slovy, WaveRider kombinuje dobu letu srovnatelnou s balistickými střelami středního doletu s mnohem nižší viditelností a virtuální nezranitelností vůči moderní PVO/raketové obraně. Mezitím se vedení SSSR svého času velmi snažilo odstranit Pershingy z Evropy a vyměnilo je za mnohem větší počet vlastních raket středního doletu – a to z dobrého důvodu. Doba letu 8-10 minut americké rakety proměnil je v téměř ideální prostředek k odzbrojení a „dekapitačnímu“ úderu – napadení prostě neměli čas reagovat. Pokud bude Kh-51 uveden do výroby, bude situace reprodukována v horší verzi - navzdory skutečnosti, že vytvoření jaderných variant „vlnových lodí“ je docela možné.

Použití scramjetových motorů se přitom neomezuje pouze na vozidla střední třídy. Na jedné straně lze podle Poradní skupiny NATO pro kosmický výzkum a vývoj (AGARD) scrumjety široce používat v čistě taktických systémech krátkého dosahu – jde o protitankové střely (určené i k ničení opevnění), vzduch-to -vzdušné střely a granáty malé ráže (30-40 mm) pro zasahování vzdušných cílů. Dalším pravděpodobným směrem je použití scramjetových motorů v antiraketách určených k zachycení balistických střel v počáteční části trajektorie.

Na druhou stranu použití hypersonických technologií může vést ke vzniku zásadně nových tříd strategických systémů. Nejkonzervativnější možností je použití hypersonických vozidel jako „manévrovacích hlavic“ pro tradiční balistické střely.

Všimněte si, že balistická střela dlouhého doletu je mírně zranitelná ve střední části své trajektorie (protože je obklopena obrovské množství lehké návnady, dipólové reflektory a rušičky), ale je zranitelný v počátečních a konečných úsecích trajektorie (lehké návnady jsou eliminovány samotnou atmosférou, v důsledku toho doprovází hlavici jen malý počet těžkých LC). Bojová hlavice i její „družina“ přitom představují soubor nemanévrovacích balistických cílů, což radikálně zjednodušuje úkol protiraketové obrany. Vysokorychlostní a ovladatelný „stroj“ s motorem scramjet je však vůči současným systémům protivzdušné obrany a protiraketové obrany prakticky nezranitelný. Výsledkem je, že kombinací klasické ICBM s hypersonickou manévrovací hlavicí je možné dosáhnout spolehlivého průlomu odpovídajícího stupně protiraketové obrany.

Jinými slovy, mluvíme o technologii, která může skutečně způsobit revoluci ve vojenských záležitostech. Hypersonická hrozba se nevyhnutelně stane realitou ve velmi dohledné budoucnosti.