Сталь плавится
Гиперзвуковая скорость манила авиаторов с середины XX века. Формально достичь ее не очень сложно: отметку в 5 Махов, или пять скоростей звука, преодолевает любой космический аппарат при спуске и почти любая баллистическая ракета средней дальности, включая знаменитый «Кинжал». Американская ракета «воздух — воздух» AIM-54 Phoenix, вышедшая из эксплуатации в начале XXI века, тоже в конце разгона летела быстрее 5 М, и этот факт никогда не привлекал внимание прессы и экспертов.
Но на деле, когда инженеры говорят о гиперзвуковых летательных аппаратах, они имеют в виду не показатель счетчика чисел Маха.
По-настоящему сложно создать самолет или дрон, которые смогут лететь на гиперзвуковой скорости долго и горизонтально, на протяжении многих десятков минут, и не ломаться в процессе.
Одно из наиболее существенных ограничений при таком полете — нагрев о воздух, который раскаляет корпус или фюзеляж докрасна. Особенно это касается передней кромки крыльев, носового обтекателя, воздухозаборников и ряда других деталей, которые, если их сделать из алюминия или даже стали, расплавятся и стекут. Более того, температуры в полторы тысячи градусов и выше плохо выдерживают и многие жаропрочные сплавы, которые от накала размягчаются и теряют прочность.
Существенного прорыва в этой сфере летом достигли ученые из Шанхайского университета Цзяотун. Они создали материал на основе тантала, усиленного наночастицами оксида гафния, который стабилизировали атомами бора.
Получившийся в результате сплав имеет предел текучести в 200 МПа при 2000 градусов и 100 МПа при 2400 градусах Цельсия.
200 МПа номинально не очень высокий показатель (при нормальных температурах) и соответствует не самому прочному алюминию, однако при 2000 градусов плавятся любые сорта стали и титан, как и многие типы жаропрочной керамики.
Создатели заявляют прямо, что разработали этот материал для гиперзвуковых летательных аппаратов. Но при ближайшем рассмотрении с ним все не так просто.
«Безусловно, данный материал весьма перспективен. Однако он легко поддается окислению и газовой коррозии, поэтому его нельзя применять без специальных жаростойких защитных покрытий. Также его внедрение в массовое производство ограничено из-за высокой стоимости тантала, который является редким металлом и сложен в добыче и переработке», — объяснил «Газете.Ru» доцент кафедры «Перспективные материалы и технологии аэрокосмического назначения» Московского авиационного института (МАИ) Алексей Астапов.
Ученые МАИ работают над решением той же задачи, следуя в основном путем создания углерод-керамических композитов. Углерод, в особенности в форме графита, является одним из самых жаропрочных материалов сам по себе, но он хрупок и окисляется при нагреве в кислородной атмосфере.
Нужен новый двигатель
Проблема с жаропрочными материалами корпуса не единственная, с которой инженеры сталкиваются при попытке создать гиперзвуковые самолеты и дроны. В том числе для этого необходимо решить проблему с двигателями.
В целом, до гиперзвуковых скоростей можно разогнаться с помощью ракетного ускорителя, как это делают космические корабли. Однако они неэффективны по сравнению с воздушно-реактивными двигателями и всегда расходуют несравнимо больше топлива.
Идеальным для гиперзвукового движения считается прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД), в котором, в отличие от двигателя обычного самолета, нет компрессора и турбины, а воздух сжимается исключительно за счет давления набегающего потока.
Эта идея очень стара и использовалась еще немецкими нацистами в ракете Фау-1 — в сущности, первом серийном боевом дроне. Но адаптация подобных изделий к гиперзвуковым скоростям невероятно трудна. Вплоть до того, что их выделяют в отдельный класс ГПВРД.
«В процессе работы ГПВРД течение и горение в камере сгорания являются сверхзвуковыми. Это сопровождается оттеснением фронта пламени вниз по потоку (от зоны смешения с топливом), нарушением баланса между скоростями потока и пламени, что вызывает колебания параметров потока (температуры, давления, скорости) и способствует переходу горения в неустойчивый режим. То есть управление горением в ГПВРД — одна из главных инженерных задач в гиперзвуковой тематике», — заявил «Газете.Ru» Астапов.
Вторая группа проблем с ГПВРД похожа на то, с чем сталкиваются проектировщики фюзеляжей. Рабочая температура в камере сгорания может превышать 2000 градусов, что вкупе с огромным давлением сужает выбор доступных материалов. Если добавить к этому требования по многоразовости и строить самолет, а не ракету, то материал должен будет также выдерживать множественные циклы нагрева-охлаждения и интенсивную абляцию — простыми словами, испарение или обгорание под действием раскаленного потока воздуха. Это сужает выбор материалов почти до нуля и заставляет разрабатывать новые — вроде того, что создали в университете Цзяотун, но более стойкого.
К настоящему моменту инженеры освоили производство ГПВРД, пригодных для установки на ракету. В Китае около года назад была принята на вооружение противокорабельная ракета YJ-19, в США на поздних стадиях испытаний находится универсальная HACM, аналогичные разработки есть в Европе и в Индии. В России тоже есть отдельные успехи в этой сфере, но, как объяснили «Газете.Ru» в МАИ, информация о них остается закрытой.
О самолетах или дорогих многоразовых гиперзвуковых дронах информации еще меньше. Больше десяти лет ходят слухи об американском скоростном стратосферном разведчике Lockheed SR-72, наследнике самого быстрого самолета в мире SR-71. Однако, как принято считать, от его эксплуатации решено было отказаться в пользу RQ-180: дрона дозвукового, но крайне малозаметного для радаров и способного висеть над территорией противника долгие часы.
Будет ли гиперзвуковой авиалайнер?
Гиперзвуковые самолеты и дроны подвержены множеству других проблем: например, с ними трудно связываться из-за образующегося облака плазмы в полете, а аэродинамическая «острая» форма, пригодная для высоких скоростей, плохо подходит для взлета и посадки.
Но, по мнению эксперта МАИ, в целесообразности создания гиперзвуковой авиации как таковой нет никаких сомнений. Прежде всего, нужду в ней испытывают военные, будь то ракеты, ударные самолеты или разведчики.
Гипотетический гиперзвуковой транспортный самолет сможет доставить десант спецназа глубоко в тыл противника, оставаясь почти неуязвимым для ПВО и не давая возможности противнику успеть отреагировать. Неясно правда, будет ли повышение скорости эффективно по сравнению с другими мерами, вроде внедрения малозаметности, но этот вопрос уже решают военные, а не инженеры.
Во-вторых, скоростные аппараты смогут стать альтернативой или заменой традиционным ракетам.
«Гиперзвуковые беспилотные аппараты могут выступать как разгонщики для многоразовых аэрокосмических транспортных систем. То есть гиперзвуковой самолет разгоняет орбитальный аппарат и возвращается назад. Это потенциально удешевляет и упрощает доступ в космос, что важно и для доставки грузов, и для развития космического туризма», — говорит Астапов.
Перспективы же гиперзвуковой пассажирской авиации более туманны. Сверхзвуковой «Конкорд» был выведен из эксплуатации из-за слишком большой цены билетов, которая была продиктована большим расходом керосина на крейсерской скорости. С тех пор сверхзвуковой лайнер не кажется авиакомпаниям такой уж привлекательной идеей, но эксперименты в этом направлении ведутся. Гиперзвуковой самолет же будет еще дороже и сложнее в эксплуатации, с еще более сомнительной прибавкой к комфорту путешествия: полуторачасовой перелет Лондон--Нью-Йорк не намного лучше трехчасового на «Конкорде», с учетом времени на регистрацию, рулежку, задержки вылета и получение багажа.
Так что при любом исходе в обозримом будущем гиперзвуковые дроны и самолеты останутся привилегией военных и космонавтов. Обычным людям на таких самолетах не летать.