O aeronavă hipersonică ( GZLA ) este o aeronavă (LA) capabilă să zboare în atmosferă cu o viteză hipersonică (mai mare sau egală cu Mach 5 ) și să manevreze folosind forțe aerodinamice .
O aeronavă înaripată capabilă de această viteză poate plana la distanțe mult mai mari decât o aeronavă convențională, pe măsură ce planarea devine „dinamică”.
Împărțirea aeronavelor în „subsonic”, „ supersonic ” și „ hipersonic ” are o bază fizică destul de solidă și reflectă esența fenomenelor în interacțiunea aeronavei cu aerul: zborul la viteze hipersonice este la fel de fundamental diferit de zborul la viteze supersonice, deoarece acesta din urmă diferă de zborul la viteze subsonice [1] [2] [3] .
GZLA poate fi fără motoare sau echipat cu diverse tipuri de sisteme de propulsie [4] : motoare rachete lichide (LPRE), motoare ramjet hipersonice (motoare scramjet) [5] , motoare rachete cu propulsie solidă (RDTT) (precum și motoare rachete teoretic nucleare ). (NRE) ) și altele), inclusiv o combinație de astfel de motoare și propulsoare. Adică, termenul „hipersonic” implică capacitatea dispozitivului de a se deplasa cu viteze hipersonice în aer, folosind atât motoarele, cât și aerul într-o formă sau alta.
Având în vedere potențialul tehnologiei, organizațiile din întreaga lume efectuează cercetări în domeniul zborului hipersonic și al dezvoltării scramjet . Aparent, prima aplicație va fi pentru rachete militare ghidate, deoarece această zonă necesită doar modul avion în intervalul de altitudine, și nu accelerație la viteza orbitală. Astfel, principalele fonduri de dezvoltare în acest domeniu merg tocmai în cadrul contractelor militare.
Sistemele spațiale hipersonice pot beneficia sau nu de pe urma utilizării stadiilor scramjet . Impulsul specific sau eficiența unui scramjet variază teoretic între 1000 și 4000 de secunde , în timp ce în cazul unei rachete această valoare nu depășește 470 de secunde în 2009 [6] [7] , ceea ce înseamnă în principiu acces mult mai ieftin în spațiu. Cu toate acestea, această cifră va scădea rapid pe măsură ce viteza crește și va exista, de asemenea, o deteriorare a raportului de ridicare la rezistență . O problemă semnificativă este raportul mic dintre forța unui scramjet și masa sa, [8] care este 2, ceea ce este de aproximativ 50 de ori mai rău decât acest indicator pentru un motor de rachetă . Acest lucru este parțial compensat de faptul că costul compensării gravitației în modul efectiv al aeronavei este nesemnificativ, dar o ședere mai lungă în atmosferă înseamnă pierderi aerodinamice mai mari.
Un avion de linie propulsat de scramjet ar trebui să reducă semnificativ timpul de călătorie de la un punct la altul, făcând posibil ca orice punct de pe Pământ să fie accesibil în 90 de minute . Cu toate acestea, rămân întrebări dacă astfel de vehicule pot transporta suficient combustibil pentru a zbura pe distanțe suficient de lungi și dacă pot zbura la o înălțime suficientă pentru a evita efectele sonore asociate zborului supersonic. De asemenea, rămân incerte întrebări legate de costul total al unor astfel de zboruri și de posibilitatea utilizării multiple a vehiculelor după zborul hipersonic.
În istorie, GZLA-urile au fost implementate sub forma mai multor avioane de testare , vehicule aeriene fără pilot și etape orbitale - avioane spațiale ale navelor spațiale reutilizabile (MTKK) . De asemenea, au existat și există încă un număr mare de proiecte de vehicule de acest tip, precum și sisteme aerospațiale ( avioane orbitale ) cu amplificator hipersonic și etape orbitale sau AKS cu o singură etapă - nave spațiale și avioane spațiale de pasageri.
Unul dintre primele proiecte detaliate ale GLA a fost proiectul Zenger nerealizat de a crea un bombardier spațial de luptă orbital parțial „ Silbervogel ” ( Păsarea de argint ) în Germania nazistă .
Spre deosebire de avioane spațiale, din cauza necesității de propulsie și tehnologii structurale mai complexe atunci când se creează nave spațiale, niciunul dintre proiectele de nave spațiale nu a fost implementat până în prezent.
În anii 1960, Statele Unite au desfășurat un program de dezvoltare și zbor al unui avion rachetă experimental nord-american X-15 , care a devenit primul din istorie și timp de 40 de ani singura aeronavă GLA care a efectuat zboruri suborbitale cu echipaj spațial . În SUA, 13 dintre zborurile sale au peste 80 km, iar în lume ( FAI ) - 2 dintre ele, în care a fost depășită limita de spațiu de 100 km, sunt recunoscute drept zboruri spațiale suborbitale cu echipaj, iar participanții lor sunt astronauți .
Programe similare în URSS și în alte țări.
La începutul secolului XXI , turismul spațial privat a început să se dezvolte , în conformitate cu care au apărut și se dezvoltă mai multe proiecte de nave spațiale private suborbitale reutilizabile cu echipaj cu avioane spațiale care efectuează zbor hipersonic pe traiectorii de urcare și coborâre. În 2004, au fost efectuate zborurile primului dintre astfel de dispozitive SpaceShipOne al companiei Virgin Galactic . O dezvoltare a programului a fost SpaceShipTwo . LYNX suborbital și alte vehicule private ar trebui să fie următoarele .
Există, de asemenea, proiecte pentru avioane de pasageri suborbitale hipersonice (de exemplu, SpaceLiner , ZEHST , HEXAFLY -INT ( High-Speed Experimental FLY Vehicles - INTernational, High-Speed Experimental Aircraft ) [9] ) și vehicule de transport militar cu răspuns rapid .
În toate MTKK și AKS înaripate, a doua lor etapă (avion spațial) sau singura (navă spațială) care intră pe orbită efectuează un zbor hipersonic pe traiectoria de coborâre, iar în unele - în sisteme cu una sau două etape cu o lansare orizontală - și în timpul ascensiunii.
În anii 1960 și mai târziu, în SUA și URSS, au existat proiecte de avioane spațiale orbitale, dar nu au fost implementate. Proiectele X-20 Dyna Soar din SUA și Lapotok LKS din URSS prevedeau lansarea pe verticală a aeronavelor orbitale pe vehicule de lansare convenționale (LV), care au devenit GLA doar la întoarcere. În proiectul nerealizat al URSS AKS Spiral și etapa superioară (aeronava de accelerație) și aeronava orbitală au fost hipersonice și au efectuat lansare comună orizontală și aterizare separată.
În SUA în anii 1980 - 2000. a fost elaborat un program amplu de peste 100 de zboruri dintre primele din istoria navetei spațiale MTKK cu un avion spațial orbital. Un avion similar, dar lansat pe un vehicul de lansare, avionul spațial al URSS Buran a efectuat un singur zbor pe orbită. Acesta a fost precedat de zboruri suborbitale și orbitale de testare ale avioanelor spațiale prototip BOR-4 și BOR-5 , lansate de asemenea pe vehiculul de lansare.
În anii 1990 și 2000, au existat proiecte ale unui număr de sisteme de transport spațial reutilizabile și AKS, dar au fost anulate până la stadiul de implementare practică: în Rusia - avionul spațial MAKS lansat dintr-o aeronavă convențională și nava spațială RAKS , în SUA - singur. -etapa navei spatiale VentureStar cu lansare verticala si aterizare orizontala si NASP (Rockwell X-30) cu lansare si aterizare orizontala, in Franta si Uniunea Europeana - avionul spatial Hermes lansat pe vehiculul de lansare , in Japonia - avionul spatial HOPE lansat la lansare vehicul (prototipul său HIMES a zburat pe orbită ) și ASSTS în două etape cu o lansare și aterizare orizontală, în Germania - un Zenger-2 în două etape cu o lansare și aterizare orizontală, în Marea Britanie - un HOTOL cu o singură etapă cu un lansare și aterizare orizontală, în India - un avion spațial Hyperplane lansat pe un vehicul de lansare etc.
La începutul secolului 21, a existat un proiect în Rusia, dar proiectul unei nave spațiale cu aripi reutilizabile Clipper , lansat pe un vehicul de lansare convențional, a fost anulat.
În Statele Unite, proiectul Boeing X-37 continuă cu zborurile pe orbita unui avion spațial experimental lansat pe un vehicul de lansare. Sunt în curs de dezvoltare proiecte: în Marea Britanie - o navă spațială AKS cu o singură etapă Skylon cu o lansare și aterizare orizontală, în India - un prototip de avion spațial lansat pe un vehicul de lansare a unei nave spațiale AKS cu o singură etapă RLV / AVATAR cu o lansare verticală și o aterizare orizontală, în China - un avion spațial lansat pe un vehicul de lansare și prototipul său Shenlong și MTKK în două etape cu lansare și aterizare orizontală etc.
Sunt dezvoltate și implementate proiecte de GLA-uri experimentale speciale fără pilot pentru a testa posibilitățile de a crea ACS de transport reutilizabil în două și o etapă (avioane spațiale și nave spațiale) ale următoarelor generații și tehnologii avansate de construcție a motoarelor de rachetă ( scramjet ) și altele.
Au existat proiecte GLA fără pilot aduse în diferite etape inițiale de implementare în SUA - Boeing X-43 , Rusia - „Rece” și „Ac” , Germania - SHEFEX (prototip de avion spațial / navă spațială), Australia - AUSROCK și altele.
Anterior, au fost dezvoltate o serie de proiecte pentru rachete de croazieră experimentale și de luptă (de exemplu, X-90 în URSS) și non-croazieră (de exemplu, X-45 în URSS) care ating viteze hipersonice.
În anii 2000, evoluțiile au continuat: de exemplu, pe 20 aprilie 2010, a avut loc primul test al focosului ghidat hipersonic DARPA Falcon HTV-2 din SUA , iar pe 26 mai 2010, primul test al US X-51 Racheta de croazieră hipersonică Waverider a avut loc . Pe 18 noiembrie 2011, Departamentul de Apărare al SUA a efectuat primul test al unui focos hipersonic planant al unui alt proiect AHW [10] .
În ianuarie 2014, a devenit cunoscut faptul că China testa un focos hipersonic WU-14 cu viteze de până la Mach 10 .
În Rusia, focosul hipersonic Yu-71 (4202) [11] [12] [13] este dezvoltat și testat - inițial focosul ICBM Sarmat , care a dus la un proiect independent (viteză până la Mach 11) [14] . Sistemul de rachete hipersonice Kinzhal , bazat pe aeronava MIG-31 , este un sistem hipersonic de rachete de aviație anti-navă rusesc care a fost pus în încercare de armament începând cu 1 decembrie 2017. Racheta de croazieră anti-navă hipersonică Zircon este dezvoltată și în Rusia. .
Avantajul unei aeronave hipersonice precum X-30 este eliminarea sau reducerea cantității de oxidant care trebuie transportată . De exemplu, rezervorul extern al navetei spațiale MTKK la lansare conține 616 tone de oxigen lichid (oxidant) și 103 tone de hidrogen lichid ( combustibil ). Această navetă spațială-avion spațial în sine nu cântărește mai mult de 104 de tone la aterizare. Astfel, 75% din întreaga structură este oxidantul transportat. Eliminarea acestei mase suplimentare ar trebui să ușureze ambarcațiunea și, sperăm, să crească cota de sarcină utilă . Acesta din urmă poate fi considerat obiectivul principal al studierii scramjet -ului , împreună cu perspectiva reducerii costurilor de livrare a mărfurilor pe orbită.
Dar există anumite dezavantaje:
Raport scazut tractiune-greutateUn motor de rachetă cu propulsie lichidă (LRE) se distinge printr - un raport tracțiune-greutate foarte mare (până la 100:1 sau mai mult), care permite rachetelor să atingă performanțe ridicate atunci când livrează mărfuri pe orbită. Dimpotrivă, raportul dintre tracțiunea scramjet și masa sa este de aproximativ 2, ceea ce înseamnă o creștere a ponderii motorului în masa vehiculului de lansare (fără a ține cont de necesitatea reducerii acestei valori de cel puțin patru ori datorită lipsa unui oxidant). În plus, prezența unei limite inferioare de viteză pentru un motor scramjet și o scădere a eficienței sale odată cu creșterea vitezei determină necesitatea utilizării motoarelor rachete cu propulsie lichidă pe astfel de sisteme spațiale cu toate deficiențele lor.
Necesitatea unor motoare suplimentare pentru a atinge orbităAerojeturile hipersonice au o gamă teoretică de viteze de funcționare de la 5-7 Mach până la prima viteză spațială de 25 Mach , dar după cum au arătat studiile din cadrul proiectului X-30 , limita superioară este stabilită de posibilitatea arderii combustibilului în trecere. curent de aer și este de aproximativ 17 Mach . Astfel, este necesar un alt sistem suplimentar de accelerare a jetului în intervalul de viteză nefuncțională. Deoarece diferența necesară în completarea vitezelor este nesemnificativă, iar ponderea PN în masa de lansare a unei aeronave hipersonice este mare, utilizarea rachetelor suplimentare de rachetă de diferite tipuri este o opțiune complet acceptabilă. Oponenții cercetării scramjet susțin că orice perspective ale acestui tip de vehicule se pot manifesta doar pentru sistemele spațiale cu o singură etapă. Susținătorii acestor studii susțin că variantele sistemelor cu mai multe etape care utilizează motoare scramjet sunt, de asemenea, justificate.
Potenţial, partea inferioară a protecţiei termice a unei nave spaţiale hipersonice trebuie dublată pentru a readuce vehiculul la suprafaţă. Utilizarea unui strat ablativ poate însemna pierderea acestuia după orbită, protecția termică activă folosind combustibil ca lichid de răcire necesită funcționarea motorului.
Reducerea cantității de combustibil și oxidant în cazul vehiculelor hipersonice înseamnă o creștere a ponderii costului vehiculului însuși în costul total al sistemului. De fapt, costul unui avion alimentat cu scramjet poate fi foarte mare în comparație cu costul combustibilului, deoarece costul echipamentelor aerospațiale este cu cel puțin două ordine de mărime mai mare decât cel al oxigenului lichid și al rezervoarelor sale. Astfel, vehiculele cu motoare scramjet sunt cel mai justificate ca sisteme reutilizabile. Dacă echipamentul poate fi refolosit în condițiile extreme ale zborului hipersonic nu este în totalitate clar - toate sistemele proiectate până acum nu au prevăzut returnarea și reutilizarea.
Costul final al unui astfel de dispozitiv este subiectul unei discuții intense, deoarece acum nu există o convingere clară în perspectivele unor astfel de sisteme. Aparent, pentru a fi justificat din punct de vedere economic, un vehicul hipersonic va trebui să aibă o sarcină utilă mai mare în comparație cu un vehicul de lansare cu aceeași masă de lansare.