Эволюция реактивных самолетов

Сегодня в небе господствуют самолеты с турбореактивными двигателями, работающие на привычном нам углеводородном топливе – керосине. Современные двигатели могут обеспечить авиалайнерам скорость, ненамного превышающую сверхзвуковую. Не говоря уж о пассажирских авиалайнерах, летающих на дозвуковых скоростях (кроме уже отлетавших «Конкорда» и Ту-144), максимальная скорость даже боевых реактивных самолетов только втрое больше скорости звука.

Что же мешает самолетам достигать больших скоростей и выходить в околоземное пространство, перейдя в новое качество – воздушно-космических кораблей? Понятно, что чем больше скорость самолета, тем более мощным должен быть его двигатель. Может быть, будущее за самолетами с ракетными двигателями?

Действительно, наибольшая скорость для пилотируемых самолетов достигнута еще в 1967 г. американским экспериментальным самолетом Х-15 с ракетным двигателем. Но у подобного двигателя есть существеннейший недостаток: он работает, используя горючее и окислитель, запасаемые на борту ракеты. И эти компоненты расходуются в таком громадном количестве, что совершенно исключает использование таких двигателей для длительных полетов в атмосфере.

Основой реактивного принципа движения является закон сохранения импульса, в простейшем случае представляющий собой равенство MV = mv. (Слева – масса и скорость летательного аппарата, справа – масса и скорость продуктов сгорания топлива, выбрасываемых из двигателя в противоположном направлении). Этот закон позволяет летать реактивным самолетам, ракетам – отрываться от Земли и уходить в космос, и он же является причиной отдачи при стрельбе

Выход из этого положения один: освоение ракетных скоростей летательными аппаратами с воздушно-реактивными двигателями. Последние в качестве окислителя используют кислород из воздуха, расход топлива у них существенно меньше, что позволяет в несколько раз увеличить экономичность полетов в атмосфере. К сожалению, современные авиационные двигатели не могут работать при гиперзвуковых скоростях (М>3–4) из-за чрезвычайного нагрева воздуха при его торможении в воздухозаборнике двигателя. Для освоения гиперзвуковых скоростей необходимо создать совершенно новые воздушно-реактивные силовые установки.

Зачем самолетам летать, как ракеты?

Наибольший интерес к высокоскоростным воздушно-реактивным летательным аппаратам проявляли и проявляют военные. В директиве министра обороны США (1999 г.) операции в космосе названы сферой жизненных интересов государства и краеугольным камнем американской военной стратегии в XXI веке. И это понятно: воздушно-космические аппараты и гиперзвуковые самолеты смогут достигать любой точки на поверхности Земли с любого аэродрома за десятки минут и наносить удары по стратегическим наземным объектам, перехватывать высоколетящие цели различного типа на дальних подступах к защищаемым объектам.

Но такие гиперзвуковые аппараты пригодятся не только военным. Многоступенчатые аэрокосмические системы, состоящие из самолета-разгонщика и возвращаемого орбитального аппарата, обеспечат не только многоразовое использование средств доставки, но и увеличат полезную нагрузку, доставляемую на орбиту. По мере увеличения транспортных потоков по маршруту «земля–орбита–земля» это значительно удешевит доставку грузов, не говоря уж о возможном развитии космического туризма.

Для обычного человека выгода будет заключаться в существенном ускорении и интенсификации пассажирских перевозок на дальних, межконтинентальных маршрутах. Самолеты со скоростью 10М за время, не слишком утомительное для пассажиров, – всего лишь половину рабочего дня – смогут перелететь из США или Европы в Австралию, то есть преодолеть 16–17 тыс. км!

Словом, перспективы создания гиперзвуковой авиации выглядят многообещающими. Но возникает вопрос: насколько это технически осуществимо и в какой мере готовы к этому страны, добившиеся наибольшего прогресса в авиационно-космических технологиях?

Сегодня промышленные технологии существуют лишь для производства самолетов, оснащенных турбореактивными двигателями на керосине и рассчитанных на скорости не более 3М. Для самолетов, способных достичь скоростей 5–6М, применимы существующие конструкции из титана и сплавов, которые выдерживают температуры до 500–600 °С, однако их турбореактивные или турбопрямоточные реактивные двигатели должны работать на более теплостойком углеводородном топливе. Поскольку такие разработки уже имеются, потребуется лишь некоторое усовершенствование существующих технологий.

А вот для гиперзвуковых самолетов с М>5–6 и воздушно-космических кораблей нужны совершенно новые технологии, отличные как от современных самолетных, так и от ракетно-космических. Силовая установка для подобных аппаратов должна быть не только экономичной. Ей необходимо работать в беспрецедентно широком диапазоне скоростей – от дозвуковых до гиперзвуковых.

Решение проблемы – гиперзвуковой прямоточный?

Первые идеи по созданию гиперзвукового двигателя были выдвинуты и обоснованы в конце 1950-х – начале 1960-х годов русским ученым Е. С. Щетинковым и рядом исследователей за рубежом. Был изобретен так называемый ГПВРД (так «окрестил» его сам автор) – прямоточный реактивный двигатель со сжиганием горючего при сверхзвуковой скорости в камере сгорания.

Вообще-то прямоточный реактивный двигатель может эффективно работать только при сверхзвуковых скоростях (М>2), на режимах взлета и посадки он непригоден. Поэтому для гиперзвуковых самолетов в этих случаях должны дополнительно использоваться обычные турбореактивные или ракетные двигатели. Еще один вариант – разнообразные комбинированные или гибридные силовые установки.

Экономичность воздушно-реактивных двигателей можно повысить благодаря переходу на ракетное горючее – жидкий водород или, например, жидкий метан. Водород вообще является идеальным авиационным топливом. Во-первых, он обладает большой теплотворной способностью, давая при сгорании максимум энергии в расчете на единицу массы горючего. Во-вторых, при сжигании он превращается в обычную воду, являясь экологически чистым горючим, что немаловажно.

Сейчас общепризнано, что для испытаний и отработки полномасштабных ГПВРД в натурных условиях целесообразнее всего использовать специальные беспилотные экспериментальные аппараты, которые выводятся на траекторию с гиперзвуковой скоростью полета «принудительно», ракетой или самолетом-носителем. Такие системы получили название гиперзвуковых летающих лабораторий, примером здесь может служить российский «Холод».

В 1990-е годы в Центральном институте авиационного моторостроения (ЦИАМ) в рамках государ­ственной программы «Орел» были начаты разработки гиперзвуковой летающей лаборатории нового поколения – исследовательского аппарата «ИГЛА», на котором планировалось провести испытания нового модульного ГПВРД – с воздухозаборником, имеющим вертикальные клинья сжатия прямой и обратной стреловидности.

В США аналогичные разработки проводились в рамках программ NASP (National AeroSpace Plane) и Hyper-X. Что касается последней, ее задачей является демонстрация достижений в области разработки гиперзвукового двигателя непосредственно в реальном полете. Для этих целей был создан беспилотный летательный аппарат Х-43, который при испытаниях в 2004 г. разогнался до скорости более 11 тыс. км/час, что в 10 раз превышает скорость звука.

Разработки ГПВРД, начатые более 40 лет назад, сейчас продолжаются во многих странах с развитой авиакосмической промышленностью: в России, США, Великобритании, Франции и др. Однако несмотря на достигнутые большие успехи, задача создания двигателя, который мог бы быть использован в реальном проекте гиперзвукового летательного аппарата, остается пока до конца не решенной.

Как бороться с аэродинамическим нагревом

Одной из самых критических проблем в создании гиперзвуковых и воздушно-космических самолетов является интенсивный нагрев летательных аппаратов при движении на сверхзвуковых скоростях. Проблема эта касается как конструкций планера и силовой установки (летный ресурс которых должен составлять не менее 30–60 тыс. часов), так и авиационного топлива, о чем уже упоминалось выше.

К нашему времени технологии производства теплостойких конструкций созданы применительно к возвращаемым орбитальным аппаратам. Так, в конце 1950-х годов были разработаны неохлаждаемые так называемые горячие конструкции из жаропрочных сплавов, примером которых может служить сотовая обшивка. Подобные конструкции могут быть использованы и для гиперзвуковых самолетов.

Кроме «горячей» конструкции, были предложены еще два типа. Первый – так называемая экранированная конструкция с теплоизоляцией и экраном, отделяющим от теплозащитного слоя силовые элементы двигателя и планера. В этом случае последние работают при умеренных температурах, поэтому для них можно использовать обычные, более легкие материалы.

Другой подход заключается в активном охлаждении наружной обшивки аппарата. Привлекательным хладоагентом является жидкий водород, используемый в качестве горючего для двигателя. Наиболее эффективная конструкция предполагает сочетание системы охлаждения с системой конвекции жидкого топлива и с тепловыми экранами, отделенными воздушным зазором от охлаждаемых элементов. Хладоресурс топлива при этом затрачивается для охлаждения как самого двигателя, так и планера.

Американские исследования показали, что для охлаждения гиперзвукового транспортного самолета, достигающего скоростей 6М и имеющего ГПВРД обычной, например осесимметричной, конфигурации, должен быть затрачен практически весь хладоресурс топлива. Именно поэтому так важно разрабатывать конструкции воздухозаборника, которые обеспечивают снижение неизбежных тепловых нагрузок на самолет.

С начала 1970-х годов в ИТПМ СО РАН проводятся исследования по разработке трехмерных, так называемых конвергентных воздухозаборников. Струя воздуха, захватываемая таким воздухозаборником, сжимается по сходящимся направлениям. В результате поперечное сечение внутреннего канала двигателя приобретает компактную, близкую к круговой форму, чем обеспечивается относительно небольшая (омываемая) площадь наиболее теплонапряженных стенок воздухозаборника и камеры сгорания. Это существенно упрощает теплозащиту двигателя по сравнению, например, с конструкцией с осесимметричным воздухозаборником, имеющим щелевидную форму внутреннего канала двигателя. Конвергентные воздухозаборники обеспечивают также бoльшую степень сжатия при меньших углах наклона поверхностей сжатия.

Вчера и сегодня гиперзвуковой авиации

Активнее всего исследования по созданию гиперзвуковых воздушно-реактивных и воздушно-космических самолетов проводились в СССР/России, США и в странах НАТО (Великобритании, Франции, Германии, Италии). Проекты воздушно-космических систем, разрабатываемые в 1980–1990-х годах в этих странах, оказали большое влияние на развитие подобных исследований в азиатском регионе – в Индии, Японии, Китае.

Самая широкомасштабная программа по созданию перспективных воздушно-космических систем проводилась в 1985–1994 годах в США. Программа NASP предполагала в основном создание систем военного назначения. Помимо этого в рамках NASP предусматривалось создание гиперзвукового пассажирского самолета Orient Express, предназначенного для межконтинентальных маршрутов.

В ФРГ в рамках национальной программы гиперзвуковых технологий в 1985–1986 годах разрабатывался проект двухступенчатой воздушно-космической системы Sänger, одной из целей при этом было обеспечение автономии Европы в области космических полетов.

Перспективным направлением в разработках аэрокосмических аппаратов является создание комбинированного воздушно-реактивного двигателя. В аппаратах с такой силовой установкой захватываемый воздух сжижается, затем из него в жидком виде выделяется окислитель – кислород. Накопление жидкого кислорода происходит в фазу достаточно длительного полета в атмосфере, после чего включаются кислородно-водородные ракетные двигатели и аппарат выходит на орбиту. Исследования в этом направлении проводятся в России, США и других странах. Одна из самых известных — многоразовая воздушно-космическая система HOTOL – создана в Великобритании.

Первый отечественный проект воздушно-космического корабля был разработан в 1966 г. в НИИ-1(ныне Научно-исследовательский центр им. М. В. Келдыша), первой государственной ракетной организации страны, где в то время работал Е. С. Щетинков. Почти в это же время проектированием гиперзвуковых летательных аппаратов различного назначения занялись и в ряде опытно-конструкторских бюро Министерства авиационной промышленности. Первый советский проект многоразовой авиационно-космической системы – «Спираль» – начал разрабатываться в ОКБ А. И. Микояна всего через 4 года после полета в космос Ю. Гагарина.

В 1970–1980-х годах в ОКБ А. Н. Туполева (ныне АНТК им. А. Н. Туполева) разрабатывался проект многоразового одноступенчатого воздушно-космического самолета Ту-2000. Для практического освоения технологии криогенных топлив был построен исследовательский дозвуковой самолет Ту-155, а для исследования процессов горения в ГПВРД и аэродинамических явлений при полетах со скоростями при М>6–8 разрабатывался специальный экспериментальный аппарат, близкий по размерам к проектируемому. Однако в трудный послеперестроечный период работы по проекту были приостановлены и продолжены уже в наше время.

В 1995–2000-х годах в ОКБ им. А. И. Микояна проводились разработки авиационно-космической системы «МиГАКС», включающей гиперзвуковой самолет-разгонщик и орбитальный самолет, предназначенный для вывода полезных грузов (до 17–18 т) на круговую орбиту высотой 200 км. Рассматривались различные варианты конструкции силовой установки самолета-разгонщика и потенциального топлива (керосин, метан, водород), которые бы соответствовали не только современному, но и прогнозируемому на ближайшие два десятилетия уровню развития технологий.

Разработки гиперзвуковых летательных аппаратов различного уровня сложности с ГПВРД или комбинированными силовыми установками проводились и в других научно-исследовательских организациях – в Центральном аэрогидродинамическом институте (ЦАГИ), в ЦИАМ, в новосибирском ИТПМ. Эти экспериментальные и теоретические исследования касались, в частности, проблем горения топлив в сверхзвуковом потоке, аэродинамики и аэродинамического нагрева, важных для летно-технической эффективности аппарата в целом.

Слово об Аяксе

В начале 1990-х годов санкт-петербургским Государственным научно-исследовательским предприятием гиперзвуковых систем (ГНИПГС) была разработана национальная программа «Аякс». В ее основу была положена концепция создания необычного гиперзвукового летательного аппарата – с активным энергетическим взаимодействием планера и двигателя с внешней средой, атмосферой.

В уникальном прямоточном реактивном двигателе «Аякса» должны происходить ионизация и магнитогазодинамическое (МГД) торможение воздушного потока, при этом высвободившаяся кинетическая энергия будет преобразовываться в электрическую.

«Бесплатное» тепло от аэродинамического нагрева корпуса аппарата и канала двигателя используется для улучшения характеристик потребляемого топлива. Суть идеи состоит в том, что исходный энергоноситель (обычный авиационный керосин) подвергают паровой конверсии, для чего к нему добавляют воду и прогоняют через систему активного охлаждения летательного аппарата, которая включает реакторы химической регенерации тепла, встроенные в обшивку планера и канала двигателя.

В результате из углеводородного топлива вырабатывается свободный водород, который, смешиваясь с керосином, образует топливную смесь – конвертин. Эта реакция сопровождается сильным поглощением тепла, что обеспечивает охлаждение нужных частей аппарата. Сам конвертин поступает в камеру сгорания, обеспечивая лучшее горение, чем исходное топливо.

В рамках проекта предполагалось разработать летательные аппараты различного назначения: транспортно-пассажирский самолет; самолет-разгонщик; воздушно-космическую систему; испытательные модули и другие. Программа работ была рассчитана на 20 лет, но, к большому сожалению, государственной поддержки не получила. Хотя нужно заметить, что уникальные технологии, которые могли бы быть созданы в рамках «Аякс», нашли бы широкое применение в народном хозяйстве.

Что будет завтра?

В ближайшие 10–15 лет можно ожидать практическую реализацию проектов гиперзвуковых крылатых ракет и отдельных разработок экспериментальных летательных аппаратов с ГПВРД.

Создание гиперзвуковых самолетов военного назначения и самолетов-разгонщиков не вызывает принципиальных технических затруднений. Основные препятствия на этом пути – высокая стоимость и неопределенность их востребованности в условиях современной международной обстановки.

Рациональные доводы в пользу необходимости создания «гиперзвуковых» технологий можно приводить долго, но в глубине души, наверное, каждого из нас таится еще и понятное детское желание – взглянуть на родную планету с высоты полета воздушно-космического корабля...

Введение же в эксплуатацию гиперзвуковых транспортных и пассажирских самолетов будет определяться двумя факторами: скоростью роста пассажиропотоков на дальние расстояния и возможностью повышения экономичности аппаратов, что требует значительного технологического прогресса.

Будущее гиперзвуковой авиации сегодня просматривается довольно отчетливо. Но даже если бы гиперзвуковые и воздушно-космические самолеты никогда не оторвались от земной поверхности, появившиеся благодаря им современные высокие технологии не стали бы «лишними» человечеству. Теплостойкие материалы и конструкции, результаты исследований процессов горения в до- и сверхзвуковых воздушных потоках, теплостойкие и криогенные топлива, различные подсистемы, работающие в сложнейших условиях, и другие разработки найдут свое место в самых различных, в том числе – неавиационных, отраслях промышленности.

Авторы и редакция благодарят АНТК им. А. Н. Туполева, ЦИАМ и ЛИИ, НПО «Молния» за предоставленные иллюстративные материалы