Волнолеты
Интересно, что гиперзвуковой бомбардировщик назван WaveRider — «бегущий по волнам», или «волнолет». Это название не случайно, оно отражает как характер траектории, так и особенности аэродинамического облика HCV. Волнообразную траекторию для гиперзвукового летательного аппарата предложил еще в годы Второй мировой войны немецкий инженер Эйген Зенгер в проекте «антиподного» бомбардировщика. Смысл волнообразной траектории в следующем. За счет разгона аппарат «выныривает» из атмосферы и выключает двигатель, экономя топливо. Затем под действием гравитации «космический самолет» возвращается в атмосферу и снова включает двигатель (ненадолго, всего лишь на 20—40 секунд), который опять выбрасывает аппарат в космос. Такая траектория кроме увеличения дальности способствует и охлаждению конструкции бомбардировщика, когда он, «оседлав волну», оказывается в космосе. Высота полета не превышает 60 километров, а шаг волны составляет около 400.
Аэродинамическая схема «волнолета» придает аппарату своеобразный внешний вид: очень маленькое крыло вытянутой треугольной формы с опущенными передними кромками, очень острый нос и воздухозаборник двигателя, вписанный в общую форму. Все это вместе обеспечивает создание подъемной силы и высокое аэродинамическое качество на гиперзвуке за счет системы присоединенных скачков уплотнения (ударных волн). Эти ударные волны, генерируемые носовой частью, располагаются таким образом, что передние кромки крыла как бы лежат на них. В результате лобовое сопротивление падает, а подъемная сила растет. Такая конфигурация и волнообразная траектория полета исследовались NASA в середине 1990-х годов в рамках проекта ударной системы и воздушно-космического орбитального летательного аппарата HyperSoar (Hypersonic Soaring, гиперзвуковое планирование). Правда, аппаратам типа «волнолет» свойственна некоторая неустойчивость.
Система FALCON: гиперзвуковой самолет HCV взлетает с аэродрома в континентальной части США и производит пуск автономного снаряда CAV. После выполнения противоракетного маневра снаряд разделяется на суббоеприпасы и поражает цели
Прямоточный полет
Для создания системы FALCON в описанном виде необходимо еще решить массу проблем технического характера. Самые главные из них — создание двигателя, способного устойчиво работать на гиперзвуковых скоростях, и нагрев конструкции при полете в атмосфере.
Из всего многообразия реактивных двигателей для перспективных гиперзвуковых аппаратов военного назначения подходят несколько: турбопрямоточный, ракетно-прямоточный и прямоточный. Обычный ракетный двигатель слишком «прожорлив» и не обеспечивает достижение необходимой дальности при приемлемой взлетной массе аппарата. При полете в атмосфере, очевидно, целесообразно применять двигатели, в той или иной мере использующие «даровой» кислород атмосферы. Наиболее перспективными для военных систем считаются прямоточные двигатели: СПВРД и ГПВРД. Они просты в конструкции, поскольку практически не имеют подвижных частей (разве что насос подачи горючего). СПВРД — сверхзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель, по конструкции очень похож на трубу, в носу которой установлен конус (генератор скачков уплотнения на сверхзвуке, обеспечивающий сжатие потока и его торможение до дозвуковой скорости). Внутри трубы установлены форсунки для впрыска топлива и стабилизаторы горения. На выходе трубы — сопло. Недостатком СПВРД является то, что он может эффективно работать только до скоростей, превышающих скорость звука не более чем в 5—6 раз. При дальнейшем росте скоростей нагрев двигателя и потери давления на входе в него резко растут, а тяга и экономичность падают. Проблему можно решить, тормозя воздух в воздухозаборнике не до дозвуковых скоростей, а до некоторых сверхзвуковых. В этом случае КПД двигателя остается довольно высоким вплоть до скоростей в 10—15 (а по утверждениям ряда зарубежных специалистов, и до 20—24) скоростей звука! Такой двигатель получил название ГПВРД — гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель. Исследования в области создания ГПВРД ведутся с 1950-х годов, но, несмотря на кажущуюся простоту концепции, аэро- и термодинамические проблемы полета с высокой гиперзвуковой скоростью так сложны, что до сих пор так и не удалось создать работоспособный двигатель, который можно было бы установить на пригодный для штатной эксплуатации летательный аппарат.
Кроме того, длительное время специалисты считали, что единственным горючим, способным сгорать в сверхзвуковом потоке проточного тракта ГПВРД, может быть только водород. Водород, конечно, неплох своими энергетическими и охлаждающими характеристиками. Однако его эксплуатационные качества (криогенная температура хранения, малая плотность, взрывоопасность и дороговизна) из рук вон плохи. С этими недостатками еще можно мириться, когда речь идет о космических полетах, но они совершенно несовместимы с требованиями, предъявляемыми к боевым системам. Поэтому основные усилия разработчиков двигателей для гиперзвуковых военных аппаратов в последние 20 лет сосредоточены на поиске возможности применения в ГПВРД обычного углеводородного топлива (то есть, собственно, авиационного или ракетного керосина). Прогресс в этих изысканиях был достигнут лишь недавно. 10 декабря 2005 года совершил свой первый полет демонстрационный гиперзвуковой аппарат, созданный по заказу DARPA фирмой ATK на базе наработок по экспериментальному самолету Х-43. Аппарат совершил полет с работающим ГПВРД в течение 15 секунд на скорости, в 5,5 раза превысившей скорость звука. В качестве горючего использовался керосин JP-10.
Что касается проблемы нагрева конструкции, то ее пытаются решить сразу несколькими способами: применением жаростойких конструкционных материалов, нанесением теплозащитного покрытия (вроде того, что устанавливается на «Шаттлах») или активным охлаждением конструкции с помощью бортового запаса топлива.
Учитывая сложность технических проблем, программа FALCON разбита на два этапа. Создание полномасштабной ударной системы в составе HCV-CAV планируется не ранее 2025—2030 года. К этому же времени относят и планы использования гиперзвуковых аппаратов в качестве разгонных ступеней космических средств выведения. К работам по аппаратам HCV и CAV подключены крупнейшие аэрокосмические фирмы США — Boeing, Lockheed Martin, Northrop Grumman, Andrews Space. Головным разработчиком по гиперзвуковому самолету-носителю HCV выбрана корпорация Lockheed Martin, с которой летом 2004-го был заключен контракт на эскизное проектирование гиперзвукового бомбардировщика.
А что делать сейчас? Ведь, как обычно, военным новое оружие нужно «еще вчера». Выход найден в использовании на первом этапе одноразовых ракет-носителей (РН) вместо самолета-разгонщика. Польза от такого решения двоякая. Во-первых, создать одноразовую РН гораздо проще и дешевле, чем сложный «гиперзвуковик». Во-вторых, с помощью этих РН можно запускать даже небольшие спутники как сейчас, так и в будущем. По требованиям военных система FALCON первого этапа должна обеспечивать с применением планера CAV поражение цели в любом районе Земли в течение часа, оперативность запуска 2 часа после суточной подготовки к пуску. Считается необходимым обеспечить до 16 стартов в сутки. При выведении на орбиту космических аппаратов создаваемая РН должна иметь грузоподъемность 450 килограммов, стоимость пуска не выше 5 миллионов долларов при 20 запусках в год.
Гиперзвуковая ракета ударной системы HyFly с пусковым ускорителем под крылом самолета NASA
Тайные участники забега
В конкурсной программе на создание такой РН кроме гигантов аэрокосмической индустрии участвуют и сравнительно небольшие частные компании. Например, AirLaunch предлагает двухступенчатую ракету стартовой массой 32 тонны, которая может «десантироваться» с помощью парашюта из грузового отсека самолета C-17. Корпорация SpaceX, возглавляемая молодым амбициозным мультимиллионером Элоном Маском, продвигает целое семейство «дешевых» носителей Falcon. Первый представитель семейства — РН Falcon массой 27 тонн — уже запускался дважды (в марте 2006 и в марте 2007 годов с полигона на атолле Кваджалейн), но оба раза неудачно. Фирма Microcosm создает ракету-носитель Sprite. Для этой РН Microcosm разрабатывает ракетные двигатели Scorpius, которые должны быть на порядок дешевле, чем существующие аналоги.