Аппараты, которые разрабатывались в США по различным гиперзвуковым программам: 1, 2 — различные варианты самолета-носителя HCV; 3 — одноступенчатый космический самолет X-30; 4, 6 — летающие лаборатории Х-43D и X-43С; 5 — боевая система HyperSoar
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.