ПОЛЕВОЙ Андрей
Главным военно-техническим событием 2018 года однозначно стало признание Владимира Путина в том, что Россия не только успешно разработала гиперзвуковое оружие, но и поставила его на вооружение и потоковое производство.
Значение этого события произвело эффект разорвавшейся бомбы — в первую очередь, среди специалистов на Западе. Дело не в том, что у России появилась некая новая абстрактная оружейная штуковина, которая быстро летает и продолжает тренд укрепления наших Вооруженных Сил. Суть разработки и создания гиперзвукового русского оружия в том, что это оружие совершает революцию в неядерных конфликтах. Впрочем, и в ядерных тоже. А стала возможной эта революция потому, что наши учёные смогли на практике решить задачи, для всех остальных стран остающихся недосягаемыми. Во всяком случае, в данный момент.
Можно только догадываться, каких интеллектуальных и материальных ресурсов стоило создание гиперзвукового оружия. И вот почему.
Проблема гиперзвукового движения вплоть до последнего времени лежала больше в сфере теории, нежели практики.
Что такое полёт на гиперзвуковой скорости? Это полёт со скоростью, когда физические явления в потоке воздуха коренным образом отличается даже от сверхзвукового и тем более дозвукового.
Определение нижней границы гиперзвуковой скорости обычно связано с началом процессов распада структур газа на отдельные молекулы и их ионизации в пограничном слое (ПС) около аппарата, что начинает происходить примерно при М > 5. Высокоскоростной поток в лобовой точке аппарата вызывает нагревание газа до степени возникновения низкотемпературной плазмы. Высокие температуры, в свою очередь, создают неравновесные химические свойства потока, которые заключаются в диссоциации и рекомбинации молекул газа, ионизации атомов, сложным химическим реакциям в потоке и с поверхностью аппарата.
Поток начинает различаться для каждого конкретного рассматриваемого газа со своими химическими свойствами. Способность материала корпуса аппарата служить катализатором в этих реакциях играет роль в расчете нагрева поверхности, что означает появление зависимости гиперзвукового потока от химических свойств воздуха.
При диапазоне скоростей ГП 10–12 км/с (> 25 М) состояние газа в данном случае описывается с помощью моделей плазмы, а не классической газовой термодинамики.
На скоростях выше 12 км/с передача тепла аппарату начинает происходить в основном через лучевой перенос, который начинает доминировать над термодинамическим переносом вместе с ростом скорости.
Эти процессы вообще не имеют связи с привычным «сверхзвуковым» опытом. Для до- и сверхзвукового потока, в большинстве случаев таких параметров как число Маха (отношение скорости потока к местной скорости звука) и Рейнольдса (критерий перехода от ламинарного к турбулентному режиму течения среды) достаточно для полного описания процессов. Для гиперзвукового потока данных параметров уже мало. Во-первых, описывающие форму ударной волны уравнения становятся практически независимыми на скоростях от 10 М. Во-вторых, увеличенная температура гиперзвукового потока означает, что эффекты, относящиеся к неидеальным газам становятся заметными.
Учет эффектов в реальном газе означает большее количество переменных, которые требуются для полного описания состояния газа. Если стационарный газ полностью описывается тремя величинами: давлением, температурой, теплоёмкостью (адиабатическим индексом), а движущийся газ описывается четырьмя переменными, которая включает еще скорость, то горячий газ в химическом равновесии также требует уравнений состояния для составляющих его химических компонентов, а газ с процессами диссоциации и ионизации должен еще включать в себя время как одну из переменных своего состояния.
В целом это означает, что в любое выбранное время для гиперзвукового потока требуется от 10 до 100 переменных для описания состояния газа. ГП обычно описывается с использованием общей энергии, выраженной с использованием общей энтальпии (мДж/кг), полного давления (кПа) и температуры торможения потока (К) или скорости (км/с).
Мало того, все эти уравнения, переменные и параметры необходимо воплотить в металле. В отличие от реактивных и ракетных двигательных систем, которые могут быть испытаны на земле, испытания гиперзвуковых самолётов требуют исключительно дорогих экспериментальных установок или стартовых комплексов, которые ведут к большим затратам при разработке. Запускаемые экспериментальные модели обычно разрушаются в ходе или после завершения испытаний, что исключает их повторное использование.
Помимо того, что необходимо разработать и начать производить материалы, способные выдерживать температуру в несколько тысяч градусов без потери прочности, нужно ещё расположить их в нужном конструктивном порядке.
Например в советском проекте гиперзвукового орбитального самолета «Спираль» разрабатывался турбореактивный двигатель, в котором была критически важна буквально каждая линия. Для обеспечения нормальной скорости потока на входе в компрессоры двигателей пришлось проработать не только входное устройство, но и всю нижнюю поверхность самолета.
На расстоянии около 10 метров от начала воздухозаборника она имеет плоскую поверхность с углом атаки 4°. В 3,25 метрах от входного устройства угол резко увеличивается до 10°, а в 1,3 метрах начинается третья панель, расположенная под 20 градусов к потоку. Благодаря такой форме «брюха» самолета скорость потока на подходе к двигателю была приемлемой.
Малейшее отклонение по наклону и расстоянию приводило либо к падению мощности, либо к разрушению конструкции. Наши учёные и промышленники смогли эти технологические вызовы принять. Причем не только решить их «на кончике пера». но и реализовать в физическом виде.
Технологии гиперзвукового полета — точнее, те открытия, которые возникают при изучении специфики этого процесса — разворачивают горизонты огромной широты. Ряд вещей, которые ещё вчера казались малореальной почти что фантастикой - сейчас уже реализованы в России.
Насколько это возможно, мы рассмотрим их в следующих публикациях.