Die US Air Force testete den X-51A Waverider, der es schaffte, das Fünffache der Schallgeschwindigkeit zu erreichen und mehr als 3 Minuten fliegen konnte, was einen Weltrekord aufstellte, der zuvor von russischen Entwicklern gehalten wurde. Der Test verlief im Großen und Ganzen gut, Hyperschallwaffen sind startklar.
Am 27. Mai 2010 wurde der X-51A Waverider (frei übersetzt als Wellenflug und „unfreiwillig“als Surfer) von einem B-52-Bomber über dem Pazifischen Ozean abgeworfen. Die von der bekannten ATCAMS-Rakete entlehnte X-51A-Boosterstufe brachte den Waverider auf eine Höhe von 19,8 Tausend Metern, wo ein Hyperschall-Staustrahltriebwerk (GPRVD oder Scrumjet) eingeschaltet wurde. Danach stieg die Rakete auf eine Höhe von 21.3.000 Metern und erreichte eine Geschwindigkeit von Mach 5 (5 M - fünf Schallgeschwindigkeiten). Insgesamt arbeitete das Raketentriebwerk etwa 200 Sekunden lang, danach sendete die X-51A im Zusammenhang mit dem Ausbruch von Telemetrieunterbrechungen ein Signal zur Selbstzerstörung. Laut Plan sollte die Rakete eine Geschwindigkeit von 6 M entwickeln (laut Projekt betrug die Geschwindigkeit der X-51 7 M, also über 8000 km / h), und der Motor musste arbeiten 300 Sekunden.
Die Tests waren nicht perfekt, aber das hinderte sie nicht daran, eine herausragende Leistung zu werden. Die Motorbetriebszeit übertraf den bisherigen Rekord (77 s) um das Dreifache, der vom sowjetischen (später russischen) Fluglabor "Kholod" gehalten wurde. Die 5M-Geschwindigkeit wurde zuerst mit konventionellem Kohlenwasserstoff-Kraftstoff erreicht und nicht mit einigen "Exklusiven" wie Wasserstoff. Waverider verwendete JP-7, ein Kerosin mit niedrigem Dampfgehalt, das in dem berühmten Ultra-High-Speed-Aufklärungsflugzeug SR-71 verwendet wurde.
Was ist ein Scrumjet und was ist die Essenz der aktuellen Errungenschaften? Staustrahltriebwerke (Staustrahltriebwerke) sind im Prinzip viel einfacher als die allen bekannten Turbostrahltriebwerke (Turbojet-Triebwerke). Ein Staustrahltriebwerk ist einfach ein Lufteinlass (der einzige bewegliche Teil), eine Brennkammer und eine Düse. Darin schneidet es im Vergleich zu Strahlturbinen günstig ab, bei denen ein Fan, ein Kompressor und die Turbine selbst zu diesem elementaren Schema hinzugefügt werden, das bereits 1913 erfunden wurde, um Luft in die Brennkammer zu treiben. Bei Staustrahltriebwerken wird diese Funktion durch den entgegenkommenden Luftstrom selbst ausgeführt, wodurch anspruchsvolle Konstruktionen, die in einem Strom heißer Gase betrieben werden, und andere teure Freuden eines Turbojet-Lebens sofort überflüssig werden. Dadurch sind Staustrahltriebwerke leichter, billiger und unempfindlicher gegenüber hohen Temperaturen.
Einfachheit hat jedoch ihren Preis. Direktstrommotoren sind bei Unterschallgeschwindigkeiten unwirksam (bis zu 500-600 km / h funktionieren überhaupt nicht) - sie haben einfach nicht genug Sauerstoff und benötigen daher zusätzliche Motoren, die das Gerät auf effektive Geschwindigkeiten beschleunigen. Aufgrund der Tatsache, dass Volumen und Druck der in das Triebwerk eintretenden Luft nur durch den Durchmesser des Lufteinlasses begrenzt sind, ist es äußerst schwierig, den Triebwerksschub effektiv zu steuern. Staustrahltriebwerke werden normalerweise für einen engen Bereich von Betriebsdrehzahlen "geschärft", und außerhalb davon beginnen sie sich unangemessen zu verhalten. Aufgrund dieser inhärenten Mängel bei Unterschallgeschwindigkeiten und moderatem Überschall übertreffen Turbojet-Triebwerke ihre Direktströmungskonkurrenten radikal.
Die Situation ändert sich, wenn die Agilität des Flugzeugs für 3 Schwünge aus dem Maßstab fällt. Bei hohen Fluggeschwindigkeiten wird die Luft im Einlass des Triebwerks so stark komprimiert, dass die Notwendigkeit eines Kompressors und anderer Geräte entfällt – genauer gesagt, sie werden zum Hindernis. Aber bei diesen Geschwindigkeiten fühlen sich Überschall-Staustrahltriebwerke SPRVD ("Ramjet") großartig an. Mit steigender Drehzahl werden die Vorteile des freien „Kompressors“(Überschallluftstrom) jedoch zum Albtraum für Motorenkonstrukteure.
In Turbojet und SPVRD brennt Kerosin mit einer relativ geringen Durchflussrate - 0,2 M. Dies ermöglicht eine gute Vermischung von Luft und eingespritztem Kerosin und dementsprechend eine hohe Effizienz. Aber je höher die Geschwindigkeit des einströmenden Stroms ist, desto schwieriger ist es, ihn zu bremsen und desto höher sind die mit dieser Übung verbundenen Verluste. Ab 6 M muss die Strömung 25-30 mal verlangsamt werden. Es bleibt nur noch, Kraftstoff in einer Überschallströmung zu verbrennen. Hier beginnen die wirklichen Schwierigkeiten. Wenn Luft mit einer Geschwindigkeit von 2,5-3.000 km / h in die Brennkammer eindringt, ähnelt der Prozess der Aufrechterhaltung der Verbrennung nach den Worten eines der Entwickler dem "Versuch, ein Streichholz mitten in einem Taifun brennen zu lassen. " Noch vor nicht allzu langer Zeit glaubte man, dass dies bei Kerosin unmöglich ist.
Die Probleme der Entwickler von Hyperschallfahrzeugen beschränken sich keineswegs auf die Erstellung eines funktionsfähigen SCRVD. Außerdem müssen sie die sogenannte Wärmebarriere überwinden. Das Flugzeug erwärmt sich durch Reibung gegen die Luft, und die Erwärmungsintensität ist direkt proportional zum Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit: verdoppelt sich die Geschwindigkeit, dann erhöht sich die Erwärmung um das Vierfache. Die Erwärmung eines Flugzeugs im Flug mit Überschallgeschwindigkeit (insbesondere in geringen Flughöhen) ist manchmal so groß, dass es zur Zerstörung von Struktur und Ausrüstung führt.
Beim Fliegen mit einer Geschwindigkeit von 3 m beträgt die Temperatur der Eintrittskanten des Lufteinlasses und der Flügelvorderkanten auch in der Stratosphäre mehr als 300 Grad und der Rest der Haut mehr als 200. Das Gerät mit eine Geschwindigkeit von 2-2,5 mal mehr erwärmt sich 4-6 mal mehr. Gleichzeitig erweicht organisches Glas auch bei Temperaturen von etwa 100 Grad, bei 150 - die Festigkeit von Duraluminium wird deutlich reduziert, bei 550 - verlieren Titanlegierungen die notwendigen mechanischen Eigenschaften und bei Temperaturen über 650 Grad schmelzen Aluminium und Magnesium, Stahl wird weich.
Eine hohe Erwärmung kann entweder durch passiven Wärmeschutz gelöst werden, oder durch aktive Wärmeabfuhr, indem die Kraftstoffreserven an Bord als Kühler genutzt werden. Das Problem ist, dass Kerosin mit einer sehr guten "Kühlfähigkeit" - die Wärmekapazität dieses Kraftstoffs ist nur halb so groß wie die von Wasser - hohe Temperaturen nicht gut verträgt und die zu "verdauenden" Wärmemengen einfach sind monströs.
Der einfachste Weg, beide Probleme (Überschallverbrennung und Kühlung) zu lösen, besteht darin, auf Kerosin zugunsten von Wasserstoff zu verzichten. Letzteres brennt relativ leicht - im Vergleich zu Kerosin natürlich - selbst in einer Überschallströmung. Gleichzeitig ist flüssiger Wasserstoff aus naheliegenden Gründen auch ein hervorragender Kühler, der es ermöglicht, auf massiven Wärmeschutz zu verzichten und gleichzeitig für eine akzeptable Temperatur an Bord zu sorgen. Außerdem hat Wasserstoff den dreifachen Brennwert von Kerosin. Dies ermöglicht es, die Grenze der erreichbaren Geschwindigkeiten auf 17 M (Maximum bei Kohlenwasserstoff-Kraftstoff - 8 M) anzuheben und gleichzeitig den Motor kompakter zu machen.
Es ist nicht verwunderlich, dass die meisten der bisherigen rekordbrechenden Hyperschallflugzeuge genau mit Wasserstoff geflogen sind. Wasserstoff als Treibstoff wurde von unserem fliegenden Labor "Kholod" verwendet, das in Bezug auf die Laufzeit des Scramjet-Triebwerks (77 s) bisher den zweiten Platz einnimmt. Ihm verdankt die NASA eine Rekordgeschwindigkeit für Düsenfahrzeuge: Im Jahr 2004 erreichte das unbemannte Hyperschallflugzeug NASA X-43A eine Geschwindigkeit von 11.265 km / h (oder 9,8 m) bei einer Flughöhe von 33,5 km.
Die Verwendung von Wasserstoff führt jedoch zu anderen Problemen. Ein Liter flüssiger Wasserstoff wiegt nur 0,07 kg. Selbst unter Berücksichtigung der dreimal größeren „Energiekapazität“von Wasserstoff bedeutet dies eine Vervierfachung des Tankvolumens bei konstanter gespeicherter Energie. Dies führt zu einem Aufblasen der Größe und des Gewichts der Vorrichtung als Ganzes. Darüber hinaus erfordert flüssiger Wasserstoff sehr spezifische Betriebsbedingungen - "all die Schrecken der kryogenen Technologien" plus die Spezifität von Wasserstoff selbst - er ist extrem explosiv. Mit anderen Worten, Wasserstoff ist ein hervorragender Treibstoff für Versuchsfahrzeuge und Stückmaschinen wie strategische Bomber und Aufklärungsflugzeuge. Aber als Treibstoff für Massenwaffen, die auf konventionellen Plattformen wie einem normalen Bomber oder Zerstörer basieren können, ist er ungeeignet.
Umso bedeutender ist die Leistung der Schöpfer des X-51, die es geschafft haben, auf Wasserstoff zu verzichten und gleichzeitig mit einem Staustrahltriebwerk beeindruckende Geschwindigkeiten und Rekordwerte für die Flugdauer zu erreichen. Ein Teil des Rekords ist auf ein innovatives aerodynamisches Design zurückzuführen – genau diesen Wellenflug. Die seltsam kantige Erscheinung des Apparats, sein wild aussehendes Design erzeugt ein System von Stoßwellen, die und nicht der Körper des Apparats werden zur aerodynamischen Oberfläche. Dadurch entsteht die Auftriebskraft bei minimaler Wechselwirkung der Anströmung mit dem Körper selbst und dadurch nimmt die Intensität seiner Erwärmung stark ab.
Der X-51 hat einen schwarzen Carbon-Carbon-Hochtemperatur-Hitzeschild, der sich nur ganz an der Nasenspitze und hinten an der Unterseite befindet. Der Hauptteil des Körpers ist mit einem weißen Niedertemperatur-Hitzeschild bedeckt, was auf einen relativ sanften Heizmodus hinweist: und dieser ist bei 6-7 M in ziemlich dichten Schichten der Atmosphäre und taucht unvermeidlich in die Troposphäre zum Ziel.
Anstelle eines Wasserstoff-"Monsters" hat das amerikanische Militär ein mit praktischem Flugbenzin betriebenes Gerät angeschafft, das es sofort aus dem amüsanten Experimentierfeld in den Bereich der realen Anwendung bringt. Vor uns liegt keine Technologiedemonstration mehr, sondern ein Prototyp einer neuen Waffe. Wenn der X-51A alle Tests erfolgreich besteht, beginnt in wenigen Jahren die Entwicklung einer vollwertigen Kampfversion des X-51A+, ausgestattet mit modernster elektronischer Füllung.
Nach vorläufigen Plänen von Boeing wird X-51A + mit Geräten zur schnellen Identifizierung und Zerstörung von Zielen bei aktiver Opposition ausgestattet. Die Fähigkeit, das Fahrzeug über eine modifizierte JDAM-Schnittstelle zu steuern, die für das Zielen hochpräziser Munition ausgelegt ist, wurde im vergangenen Jahr in Vorversuchen erfolgreich getestet. Das neue Wellenflugzeug passt gut in die Standardabmessungen für amerikanische Raketen, das heißt, es passt sicher in vertikale Abschussvorrichtungen an Bord, Transport-Start-Container und Bomberbuchten. Beachten Sie, dass die ATCAMS-Rakete, von der die Booster-Stufe für den Waverider geliehen wurde, eine operativ-taktische Waffe ist, die von den amerikanischen MLRS-Mehrfachraketensystemen verwendet wird.
So testeten die Vereinigten Staaten am 12. Mai 2010 über dem Pazifischen Ozean einen Prototyp eines völlig praktikablen Hyperschall-Marschflugkörpers, gemessen an der geplanten Füllung, der dazu bestimmt war, hochgeschützte Bodenziele zu zerstören (die geschätzte Reichweite beträgt 1600 km). Vielleicht werden ihnen im Laufe der Zeit Oberflächen hinzugefügt. Neben der enormen Geschwindigkeit haben solche Raketen eine hohe Durchschlagskraft (die Energie eines auf 7 M beschleunigten Körpers entspricht übrigens praktisch einer TNT-Ladung gleicher Masse) und - eine wichtige Eigenschaft statisch instabiler Wellen - die Fähigkeit zu sehr scharfen Manövern.
Dies ist bei weitem nicht der einzige vielversprechende Beruf von Hyperschallwaffen.
In den späten 1990er Jahren wurde in Berichten der NATO Space Research and Development Advisory Group (AGARD) festgestellt, dass Hyperschallraketen die folgenden Anwendungen haben sollten:
- besiege befestigte (oder vergrabene) feindliche Ziele und komplexe Bodenziele im Allgemeinen;
- Luftverteidigung;
- die Eroberung der Lufthoheit (solche Raketen können als ideales Mittel zum Abfangen von hochfliegenden Luftzielen auf große Entfernungen angesehen werden);
- Raketenabwehr - Abfangen von ballistischen Raketen in der Anfangsphase der Flugbahn.
- Einsatz als wiederverwendbare Drohnen sowohl zum Angreifen von Bodenzielen als auch zur Aufklärung.
Schließlich ist klar, dass Hyperschallraketen das wirksamste - wenn nicht das einzige - Gegenmittel gegen Hyperschallangriffswaffen sein werden.
Eine andere Richtung bei der Entwicklung von Hyperschallwaffen ist die Entwicklung kleiner Feststofftriebwerke, die in Projektilen montiert sind, um Luftziele (Kaliber 35-40 mm) sowie gepanzerte Fahrzeuge und Befestigungen (kinetische ATGMs) zu zerstören. 2007 schloss Lockheed Martin die Tests eines Prototyps einer kinetischen Panzerabwehrrakete CKEM (Compact Kinetic Energy Missile) ab. Eine solche Rakete in einer Entfernung von 3400 m zerstörte erfolgreich den sowjetischen T-72-Panzer, der mit einer verbesserten reaktiven Panzerung ausgestattet war.
In Zukunft können noch exotischere Designs erscheinen, zum Beispiel transatmosphärische Flugzeuge, die suborbitale Flüge in interkontinentaler Reichweite ermöglichen. Auch das Manövrieren von Hyperschallsprengköpfen für ballistische Raketen ist durchaus relevant – und das in naher Zukunft. Mit anderen Worten, in den nächsten 20 Jahren werden sich die militärischen Angelegenheiten dramatisch ändern und Hyperschalltechnologien werden zu einem der wichtigsten Faktoren dieser Revolution.
