Яка швидкість Гіперзвуку

Гіперзвукова швидкість

Спочатку варто визначитися, гіперзвук — це скільки? Прийнято вважати, що гіперзвукова швидкість, це швидкість вище 5 М, тобто більше п’яти чисел Маха.

Вам цікаво скільки це в кілометрах на годину? Від 5380 км/год до 6120 км/год, залежно від параметрів середовища (для літака — середовище це повітря), тобто від щільності повітря, яке є різним на різних висотах польоту.

Так що, для простоти сприйняття, все-таки краще скористатися числами Маха. Якщо швидкість повітряного судна перевищила 5 М — це гіперзвукова швидкість.

X-51 перша гіперзвукова ракета

Гіперзвукова швидкість

Власне чому саме 5 М? Значення 5 було обрано тому, що за такої швидкості починає спостерігатися іонізація потоку газу та інші фізичні явища, що, звичайно, впливає на його властивості повітря та політ у ньому.

Ці зміни особливо помітні для двигуна, звичайні ТРД (турбореактивні двигуни) просто не можуть працювати на такій швидкості, потрібен принципово інший двигун, ракетний або прямоточний.

Прямоточний двигун, насправді і не такий вже інший, просто в ньому відсутні компресор і турбіна, а свою функцію він виконує так само: стискає повітря на вході, змішує його з паливом, спалює в камері згоряння, і отримує реактивну тягу.

Фактично, прямоточний двигун, це труба з камерою згоряння, дуже просто і ефективно на великій швидкості. Ось тільки такий двигун має величезний недолік, йому для роботи потрібна певна початкова швидкість (свого компресора то немає, нічим стискати повітря на малій швидкості).

Важливе зауваження. Говорити про гіперзвукову швидкість можна лише у випадку досягнення її в атмосфері. Якщо ж апарат (бойовий блок міжконтинентальної ракети, сама ракета чи супутник) рухаються поза атмосферою (у космосі, де опір мізерно мало), ні про яку гіперзвукову швидкість не йдеться.

Наприклад, міжконтинентальна ракета розвиває швидкість близько 7 км/сек поза атмосферою, це приблизно 25 200 кілометрів на годину! Але це не гіперзвук, це не в атмосфері.

От чому “гіперзвукова” ракета “Кинжал” не може вважатися гіперзвуковою. Вона, звичайно, розганяється до гіперзвукової швидкості, але робить це не в атмосфері, а поза її межами.

У “Кинджала” немає гіперзвукового двигуна, який може працювати при швидкості більше 5 М, адже це балістична ракета, яка просто падає на землю з космосу. Як і будь-яка інша балістична ракета у світі.

Правильно називати “Кинджал” — аеробалістичною ракетою. “Аеро” тому, що не запускається з літака.

Наприклад, німецька Фау-2 піднімалася на висоту більше 100 км (все те вище 100 кілометрів вважається космосом) і звідти падала, розганяючись до максимальної швидкості 5900 км/год *. Але ніхто ніколи не називав балістичну ракети гіперзвуковою. Просто тому, що при вході в атмосферу починається її гальмування, а двигун ракети вже не працює.

*На висоті 5 км, це якраз і була б гіперзвукова швидкість. Але річ у тому, що така швидкість досягалася на висоті близько 50-70 кілометрів, а далі починала падати через гальмування об атмосферу.

Що такого складного у гіперзвуку

Головна проблема з якою борються інженери для подолання порога гіперзвуку, це нагрівання. Адже рухаючись в атмосфері зі швидкістю більше 5 махів, будь-який апарат дуже сильно нагріватиметься.

Для балістичних ракет та космічних кораблів ця проблема вирішується нанесенням спеціального покриття. Але такі апарати знаходяться в атмосфері недовго і не встигають розігрітися настільки сильно, щоб це стало проблемою.

У випадку з атмосферним польотом, який займатиме аж ніяк не секунди, потрібні нові жароміцні та жаростійкі матеріали.

Наприклад, знаменитий літак SR-71 літав на швидкості близько 3 М, до гіперзвукової швидкості було дуже далеко, але корпус його деяких місцях розігрівався до 315 градусів Цельсія. Це дуже багато, якщо врахувати, що сталеві сплави втрачають міцність вже при 250 градусах, а алюмінієві ще раніше. Тому більшість конструкції SR-71 робилася з титанових сплавів, саме через високий нагрівання в польоті.

На гіперзвуковій швидкості SR-71 просто згорів би. За аналогією з звуковим бар’єром застосовується термін “тепловий бар’єр”. Це такий діапазон швидкостей, коли ігнорувати нагрівання літального апарату вже ніяк не вийде і потрібно вживати заходів: спеціальні матеріали та конструктивні хитрощі для охолодження конструкції.

Історія гіперзвукової швидкості

У 50-ті роки йшла боротьба за досягнення швидкості звуку. Коли інженери та вчені зрозуміли, як поводиться літак при швидкості вище швидкості звуку і навчилися створювати літальні апарати, призначені для таких польотів, настав час йти далі. Змусити літаки літати ще швидше.

У 1967 році американський експериментальний літальний апарат X-15 досяг швидкості 6,72 М (7274 км/год). Він був оснащений ракетним двигуном і літав на висотах від 81 до 107 км (100 км, це лінія Кармана, умовна межа атмосфери та космосу).

Тому, правильніше називати X-15 не літаком, а ракетопланом. Злетіти самостійно він не міг, йому був потрібний літак-розгінник. Але все ж таки, це був гіперзвуковий політ. Причому літали X-15 з 1962 по 1968 роки, а 7 польотів на X-15 здійснив той самий Ніл Армстронг.

Варто нагадати, що польоти поза атмосферою, якими б швидкими вони були вважати гіперзвуковими, адже щільність середовища у якій рухається літальний апарат дуже мала. Ефектів властивих надзвуковому або гіперзвуковому польоту просто не буде.

У 1965 році YF-12 (прототип знаменитого SR-71) досяг швидкості 3 331,5 км/год, а в 1976 вже сам серійний SR-71 – 3 529,6 км/год. Це “лише” 3,2–3,3 М.

Пізніше ці скафандри використовувалися для проекту Шаттл. Дуже довгий час SR-71 був найшвидшим літаком у світі (літати він перестав у 1999 році).

SR-71 та пілоти в скафандрах

Радянська Міг-25Р теоретично міг досягти швидкості в 3,2 М, але експлуатаційна швидкість обмежувалася значенням 2,83 М.

У ті ж 60-ті в США та СРСР існували проекти космічних проектів X-20 «Dyna Soar» і «Спіраль» відповідно. Для Спіралі спочатку передбачалося використання гіперзвукового літака-розгонника, потім надзвукового, потім проект взагалі закрили. Та сама доля спіткала й американський проект.

Взагалі проекти саме “гіперзвукових” літальних апаратів того часу були зв’язані з польотами поза атмосферою. Інакше й бути не може, на “малих” висотах занадто висока щільність і, відповідно, опір, що призводить до багатьох негативних факторів, які на той час подолати не змогли. Гіперзвук зараз

За всіма перспективними дослідженнями, зазвичайно стоять військові. У випадку з гіперзвуковими швидкостями, це теж має місце.

Зараз дослідження ведуться в основному в напрямку космічних апаратів, гіперзвукових крилатих ракет і так званих гіперзвукових бойових блоків. Тепер уже йдеться про “справжнє” гіперзвук, польоти в атмосфері. Зверніть увагу, роботи з гіперзвукових швидкостей були в активній фазі у 60-70 роках, потім усі проекти були закриті.

Повернулися до швидкостей вище 5 М тільки на рубежі 2000-х років. Коли технології дозволили створювати ефективні прямоточні двигуни для гіперзвукових польотів.

У 2001 перший політ здійснив безпілотний літальний апарат із прямоточним двигуном.

Boeing X-43. Вже в 2014 році він розігнався до швидкості в 9,6 М (11 200 км/год). Хоча проектувався X-43 для швидкостей у 7 разів вище за швидкість звуку. При цьому рекорд був поставлений не в космосі, а на висоті лише 33 500 метрів.

X-43 на фото виглядає маленьким чорним трикутником, прикріпленим до розгінної ракети.

У 2009 році почалися випробування прямоточного двигуна для крилатої ракети компанії Boeing X-51A Waverider. 2013 року апарат X-51A розігнався до гіперзвукової швидкості — 5,1 М на висоті 21 000 метрів. Політ тривав 6 хвилин.

Цікавий проект літального апарату для польоту з гіперзвуковою швидкістю в атмосфері, американський Falcon HTV-2, вважається провальним. Імовірно, Falcon зміг розігнатися до величезної для атмосфери швидкості — 23 М. Але тільки ймовірно, оскільки всі експериментальні апарати просто згоріли.

Рекордний Falcon HTV-2 виглядає дуже просто

Всі перераховані літальні апарати (крім Skylon) не можуть самостійно набрати необхідну для роботи прямоточного двигуна швидкість і використовують різні прискорювачі. Але Skylon поки що тільки проект не зробив поки що жодного випробувального польоту.

Правильна гіперзвукова ракета

У 2021 році в DARPA стартував проект Hypersonic Air-breathing Weapon Concept (HAWC). Це саме те, що дійсно можна називати гіперзвуковою ракетою. 2022 року тестовий політ завершився успішно.

Ракета HAWC розігналася до швидкості 6100 км/год на висоті 18 кілометрів і пролетіла 560 кілометрів у горизонтальному польоті. Це і є справжня гіперзвукова швидкість. Чесний результат досягнутий у горизонтальному польоті з використанням гіперзвукового двигуна.

На висоті 18 км швидкість 6100 кілометрів на годину відповідає числу Маха 5,7 — тобто більш ніж у 5 разів швидше за звук.

Планується, що отримані результати будуть використані в проекті Hypersonic Attack Cruise Missile (HACM), тобто для створення серійної гіперзвукової ракети. Платформою для її запуску буде винищувач F-15EX. Саму ракету випускатиме компанія в Raytheon, а двигун для неї в Northrop Grumman.

Далеке майбутнє гіперзвуку

Існують і цивільні проекти гіперзвукових літаків для перевезення пасажирів. Це європейські SpaceLiner з одним типом двигуна і ZEHST який повинен використовувати цілих 3 типи двигуна на різних режимах польоту. Також над своїми проектами працюють інші країни.

Такі лайнери імовірно зможуть доставити пасажирів з Лондона до Нью-Йорка лише за годину. Політати такими літаками ми зможемо не раніше 40-х, 50-х років 21 століття. А поки що гіперзвукові швидкості залишаються долею військових, або космічних апаратів.

Х-47 “Кинжал”: балістичний чи гіперзвуковий, як взагалі працює, як з’явився у РФ та став міфом

Про існування Х-47 “Кинжал” було офіційно повідомлено особисто Путіним у 2018 році зі словами, що “Кинжал” дозволяє “долати всі існуючі та, я думаю, перспективні системи протиповітряної та протиракетної оборони”.

Й на основі цієї заяви про вундерваффе у РФ роками будували міф про “Кинжал”. Але реальність завдяки вправним діям українських зенітників виявилась зовсім іншою. А вже за цим стоїть не тільки знищення найбільшого міфу рашистів, а й витрата РФ величезних коштів на розробку, запуск у серію та спеціальну модернізацію носіїв у вигляді МиГ-31К, які, за непідтвердженою інформацією, втратили можливість ведення повітряного бою, бо з них для полегшення конструкції та можливості запускати “Кинжал” зняли всю апаратуру.

Також остаточно вилізла різниця між “аналоговнєтною гіперзвуковою ракетою” та справжньою гіперзвуковою ракетою. Вона полягає у тому, що Х-47 “Кинжал” якраз є російським традиційним вундерваффе, який має доволі опосередковане відношення до гіперзвукового озброєння.

Для початку, що таке взагалі гіперзвук максимально спрощено – це швидкість понад 5 Махів, або 6125 км/год, або 1702 м/с. Все що вище цієї позначки – гіперзвук.

Чи є подолання цього бар’єру чимось неможливим – ні. Якщо говорити про атмосферні польоти, то американський експериментальний North American X-15 створений у 1959 році розганявся до 6,7 Маха на висоті 31,1 км. У ньому роль першого ступеня, який й мав підняти пілотований апарат вагою 15,4 тонни якомога вище, відігравав B-52.

North American X-15 (фото: NASA)

Для того, щоб розігнатися до такої швидкості у North American X-15 було використано рідкопаливний двигун XLR99 на рідкому кисні та безводному аміаку з тягою 250 кН та питомим імпульсом 2,74 км/с, з регуляцію тяги від 50 до 100%. За 80 секунд роботи він поглинав 6,8 тонни пального, й фактично North American X-15 був пілотованою ракетою, яка здійснювала суборбітальні польоти (рекорд висоти 108 км).

Тепер поглянемо на аналоговнєтний російський Х-47 “Кинжал”. Ракету підіймає МиГ-31К якомога вище та додатково розганяє її. Для базового МиГ-31 крейсерська надзвукова швидкість становить 2,55 Маха, максимальна до 2,7 Маха, практична стеля – 21,5 км, динамічний (на гірці) – 30 км.

Далі “Кинжал” відчіпляється й розганяється, скоріш за все, твердопаливним прискорювачем до гіперзвукової швидкості та підіймається ще вище, можливо до 40-60 км (або навіть вище) де розріджена атмосфера й вдається знизити теплове навантаження через високу швидкість та тертя о повітря. Офіційно максимальна швидкість нібито до 10 Махів, хоча умовно можливо взяти межу від 5 Махів, бо мова йде про пікову швидкість.

Як тільки прискорювач перестає працювати, швидкість ракети невпинно зменшується через тертя, “Кинжал” поступово знижується, й вже не на гіперзвуковій швидкості атакує ціль. Вочевидь для мінімізації часу знаходження у зоні дії засобів ППО та ПРО, кінцева ділянка траєкторії – балістична, на якій “Кинжал” падає на ціль вже без працюючого двигуна й на швидкості значно менше за 5 Махів. Через це вирішується цілий ряд питань, включно із вимогами до матеріалів корпусу та системи наведення.

При цьому концепція ракети, яка буде проривати протиповітряну оборону за рахунок висотного та швидкісного польоту у СРСР існувала й використовувалась у Х-22, в якій максимальна швидкість становила 3,5 Маха, а висота маршевої ділянки до 25 км.

А також у Х-15 – яка під час запуску могла летіти по аеробалістичній траєкторії на висоті 40 км, а по балістичній піднятися до висоти у 90 км, досягаючи швидкості до 5 Махів (тобто підібравшись до гіперзвуку). На відміну від Х-22, де був використаний рідиннопаливний двигун, у Х-15 – твердопаливний, при вдвічі меншій дальності до 300 км.

Й в цілому “Кинжал” концептуально продовжує ідею саме цих ракет, а повний індекс у вигляді Х-47М2 демонструє доволі довгий час до взагалі літаючих зразків, які можливо було прийняти на озброєння.

Й до справжнього гіперзвуку йому максимально далеко, бо це потребує створення гіперзвукового прямоточного повітряно-реактивного двигуна, який бере окислювач, тобто повітря, з атмосфери й за рахунок цього може підтримувати гіперзвукову швидкість, а не лише розігнатися до неї.

Експериментальний Boeing X-43 з гіперзвуковим ППРД, досягнута швидкість 9,68 Маха у 2004 році

Створення такого двигуна – це окрема й надскладна тема, яка відрізняє “російський гіперзвук” від звичайного аналогічно, як кинутий пращою камінь відрізняється від літака. Але Кремлю була потреба у вундервафе, бо для будь-якого тоталітарного режиму наявність “чудо-зброї”, яка нібито є доказом виключних можливостей та переваги, є важливою умовою підтримки існування.

Водночас все ж таки не варто абсолютно нівелювати загрозу від Х-47 “Кинжал”. Він залишається швидкісною ракетою повітряного базування, яка атакує ціль за балістичною траєкторією, що потребує для його перехоплення комплексів протиракетної оборони з можливістю кінетичного знищення цілі.

Related Post

Які є сплячі вулканиЯкі є сплячі вулкани

Зміст:1 Сплячі вулкани1.0.1 Сплячі вулкани2 § 13. Вулкани. Поширення вулканів3 Які бувають різні типи вулканів?3.1 Вулкани з шлаковим конусом:3.2 Композитні вулкани:3.3 Щитові вулкани:3.4 Лавові куполи: Сплячі вулкани Щоб знайти незліченну

Які пігулки від токсикозу при вагітностіЯкі пігулки від токсикозу при вагітності

Зміст:1 Токсикоз під час вагітності – причини, небезпеки, вирішення проблеми1.1 Токсикоз потребує уваги лікаря1.2 Чому виникає токсикоз у першому триместрі1.3 Що робити?1.4 Чим допоможе стаціонарне лікування1.5 Лікування легкої форми токсикозу2