Валерий Августинович - Битва за скорость. Великая война авиамоторов
А вот военное и космическое применение гиперзвука совершенно реально и здесь впереди всех, по крайней мере, по продуманности стратегии, находятся США. Более того, НАСА и Военное ведомство США создали совместную организационную структуру, получившую название «Национальная Аэрокосмическая Инициатива» (НАИ), для практической реализации следующего поколения проектов. Намучившись с «челноками» в части прогноза их надежности при многократном применении, НАСА поставило задачу радикального снижения затрат на запуски космических кораблей с помощью разработки носителей нового поколения с применением гиперзвукового самолета. Этот проект аэрокосмического самолета, получивший обозначение Х-43 (как и всякий опытный самолет, имеющий индекс «X»), по плану должен быть закончен к 2025 г. летными испытаниями демонстратора. Правда, окончательный выбор типа первой ступени еще не сделан. Рассматриваются оба варианта: чисто ракетный и на базе газотурбинного двигателя. Но «верхняя» часть первой ступени является гиперзвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателем со сверхзвуковым горением.
Вообще, естественная трансформация оптимального двигателя космического корабля выглядит следующим образом. При старте, когда начальная скорость полета в атмосфере равна нулю, необходимое для производства работы сжатие воздуха осуществляет компрессор газотурбинного двигателя. С увеличением скорости полета все большая часть сжатия происходит при торможении воздуха в воздухозаборнике и все меньшая — в компрессоре. Начиная с числа М полета, равного 3–3,5, компрессор, по сути, вырождается, практически ничего не добавляя к степени сжатия в воздухозаборнике. Здесь газотурбинную часть двигателя целесообразно выключать и переходить на чисто прямоточный контур с дозвуковым горением до скоростей полета порядка М=5. Следующей оптимальной модификацией двигателя является прямоточный двигатель со сверхзвуковым горением (при М4 температура торможения при обтекании стабилизатора достигает величины воспламенения, и возникает устойчивое горение при высокой, в том числе и сверхзвуковой скорости). И, наконец, при выходе за пределы атмосферы, где воздух имеет малую плотность и не может служить рабочим телом, применяется жидкостно-ракетный двигатель, который использует вместо атмосферного воздуха собственный запас окислителя в баке ракеты или самолета. Необходимое давление в камере сгорания при этом обеспечивается расходом рабочего тела, который, в свою очередь, дают насосы, качающие окислитель и горючее в необходимом количестве.
Если газотурбинные технологии до числа М полета, равного 3, хорошо отработаны, то область работы прямоточного двигателя со сверхзвуковым горением (М4) является проблемной как в научном, так и в практическом плане. И в этом направлении ведутся интенсивные исследования. Кроме того, представляется заманчивым продлить область применения газотурбинного двигателя (пусть и в комбинированном варианте с прямоточным) до М=4. Тогда в космическом корабле силовая установка для его разгона будет иметь три отдельных модуля: турбопрямоточный, прямоточный со сверхзвуковым горением и ракетный двигатели.
В США принята соответствующая программа разработки так называемого «Революционного Турбинного Ускорителя» (РТУ или, в английской транскрипции, RTA), в которой участвует знаменитая фирма «Дженерал Электрик». В качестве прототипа такого «революционного» двигателя используется F-120, так называемый «двигатель изменяемого цикла» с механически регулируемыми площадями проходных сечений (в частности, соплового аппарата турбины).
Проблем создания гиперзвукового самолета много. Начиная от недостаточной точности прогноза внешнего сопротивления такого аппарата, а следовательно, и оценки потребной величины тяги силовой установки. Дело в том, что при таких гиперзвуковых скоростях надежность геометрического моделирования при аэродинамических продувках еще требует подтверждения. Неясно, работает ли (скорее всего, не работает) в этом случае теория подобия, столь успешно применяемая при исследовании моделей дозвуковых и сверхзвуковых (но не гиперзвуковых) самолетов. Современные методы расчета и моделирования аэродинамики тоже нуждаются в верификации. Взаимодействие гиперзвукового потока с двигателем и самолетом порождает существенно нелинейные эффекты, которые современные сеточные методы математического моделирования точно описать не могут. Все идет к тому, что доводка таких дорогих систем должна во многом вестись на натуре в летных условиях. Здесь мы находимся в ситуации, аналогичной начальной стадии разработки крупных ракетных двигателей.
Прямоточный контур двигателя со сверхзвуковым горением тоже требует исследований, начиная от разработки новых более легких теплопроводных материалов типа гамма-титан-алюминий или керамических композитов на основе кремния и выбора типа топлива. Нужно иметь в виду, что топливо используется здесь для охлаждения камеры сгорания. И т. д, и т. п.
Какова же ситуация с гиперзвуком в России? И каково здесь возможное применение гиперзвуковых самолетов? Вряд ли следует ожидать применения гиперзвука для вывода на орбиту космических аппаратов и кораблей. В России для этой цели уже давно сложилась надежная система применения ракетных носителей. Не будет в России и гиперзвукового воздушного транспорта — нет такой потребности, да и с экономической точки зрения это нецелесообразно. А вот в области военного применения гиперзвука существуют заманчивые перспективы Надо отметить, что этой темой в России занимаются давно (с 1970-х гг.) в Центральном институте авиационного моторостроения в рамках федеральных целевых программ («Холод» по использованию водорода и др.). Эта тема не только предоставляет прекрасные возможности для развития фундаментальной науки, прежде всего в области механики жидкости и газа, а также физики горения, но и имеет очевидный прикладной характер. Разработка новых математических моделей процессов, проведение уникальных экспериментов — все это само по себе имеет большую ценность для инновационного развития страны. В случае же создания гиперзвукового носителя оружия оборона страны получает новое качество благодаря повышению скорости реакции и неуязвимости ответа на возможные угрозы.
В ЦИАМ темой ГПВРД (гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель) предметно начали заниматься с 1985 г. (отдел 012, начальник отдела А. С. Рудаков), ориентируясь на создание воздушно-космического самолета. Концепция такого самолета была разработана в ОКБ Туполева, а будущий проект самолета получил обозначение Ту-2000. Но организовать системную работу по созданию такого самолета не удалось по многим причинам, в том числе и из-за отсутствия целевого финансирования. Как известно, начиналась «перестройка», и эта «перестройка» «прошлась Мамаем» по многим проектам. Тем не менее в программе «Холод» было запланировано проведение летного эксперимента ГПВРД, получившего обозначение С-57. Эта работа носила комплексный характер: нужно было подготовить гиперзвуковую летающую лабораторию на базе зенитной ракеты С-200, разработать стартово-пусковой комплекс, создать сам ГПВРД и систему регулирования подачи топлива, бортовую систему хранения и подачи жидкого водорода, заправочный и транспортный комплекс жидкого водорода и т. д.
