Содержание
Первый полет на гиперзвуковых скоростях состоялся почти 60 лет назад, однако с тех пор технология так и не стала массовой. Тем не менее, современные компании работают над тем, чтобы преобразовать сферу путешествий и вывести космические миссии на новый уровень.
Что такое гиперзвук
Гиперзвуковая скорость — это скорость движения объектов, которая в пять раз превышает скорость звука в атмосфере Земли.
Гиперзвуковая скорость отличается от сверхзвуковой своей величиной. При обычных условиях в атмосфере скорость звука составляет примерно 331 м/с, а более высокие скорости соответствуют сверхзвуковым. Гиперзвуковая скорость относится к верхней части этого диапазона. При этом разница между ультразвуком и гиперзвуком заключается в диапазоне частот. Если ультразвук — это звуковые волны с частотами выше диапазона слышимости человеком — от 20 кГц до 1 ГГц, то гиперзвук — это звуковые волны с частотами от 1 ГГц до 10 ТГц.
Летящий на сверхзвуковой скорости объект преодолевает звуковой барьер. Гиперзвуковая скорость же запускает процесс ионизации воздуха и образования плазмы. При этом летящий объект вместо турбулентности окружает ударная звуковая волна.
Первым объектом, достигшим гиперзвуковой скорости, стала баллистическая ракета «Фау-2», которая использовалась немецкими войсками во Второй мировой войне. Она развивала скорость 1700 м/с или 5,8 Махов. Первым человеком, который смог совершить полет на гиперзвуковой скорости, стал летчик-испытатель Уильям Дж. Найт. В 1967 году он установил рекорд самого быстрого полета с экипажем на ракетоплане X-15, достигнув скорости 6,72 Маха (примерно 7274 км/ч) на высоте 31 км. Однако после этого двигатель ракетоплана заглох, и Найту пришлось совершить аварийную посадку посреди озера Мад-Лейк в Неваде.
Чему равна гиперзвуковая скорость
Величина скорости звука условно постоянна — она равна 343 м/с или около 1234 км/ч у уровня моря — а гиперзвук может достигать скоростей от 6 150 до 12 300 км/ч (от 1 710 до 3 415 м/с). Однако этот показатель для гиперзвука принято измерять в Махах. Название происходит от фамилии австрийского физика и философа Эрнста Маха.
Скорость звука уменьшается с высотой и увеличивается с повышением температуры воздуха. Также на нее влияет влажность. Более высокие уровни влажности могут немного увеличить скорость звука, поскольку влажный воздух менее плотный, чем сухой. Единица числа Маха — это скорость звука, то есть один Мах равен 343 м/с. При этом сам показатель Маха может меняться, как и скорость звука. Например, на высоте 9 км для преодоления скорости звука нужно превысить показатель в 1076 км/ч — на 148 км/ч меньше, чем у земли.
Показатели скорости гиперзвука:
- 5,5-10 Махов;
- 6 150-12 300 км/ч;
- 1 710-3 415 м/с.
Применение гиперзвука
Понятие гиперзвука чаще всего упоминается применительно к ракетной и военной сферам, а также используется в авионике.
Авиация и космонавтика
Разработки в этой области сосредоточены на управлении нагревом аппаратов и изменениями давления на высоких скоростях, что требует исследования новых материалов и аэродинамических принципов.
Американский ракетоплан X-15 — первый пилотируемый гиперзвуковой летательный аппарат, совершавший суборбитальные космические полеты. В рамках проекта ВВС, ВМС США и NASA в период с 1946 по 1971 год испытали более трех десятков транспортных средств, чтобы побить рекорды высот и развить гиперзвуковые скорости. X-15 был спроектирован с ракетным двигателем, работающим на аммиаке и жидком кислороде. Однако всего за 80 секунд его двигатель мог расходовать около 7 тыс. л топлива. В связи с этим ракетопланы чаще всего запускали с самолетов. Проект развивали с 1946-го по 1971 год, но потом эксперименты приостановили из-за нескольких инцидентов, а также начавшейся космической гонки. Астронавт Нил Армстронг при подготовке к миссии «Аполлон» также летал на Х-15. Позднее в Штатах разрабатывали еще ряд проектов таких аппаратов. Например, X-43А, который запускался крылатой ракетой «Пегас», а в 2004 году побил рекорд скорости в 9,6 Махов (3,2 км/с).
В настоящее время оборонные ведомства США работают с калифорнийской компанией Rocket Lab над проектом HASTE (Hypersonic Accelerator Suborbital Test Electron). В рамках этого проекта ракета Electron компании используется для тестирования гиперзвуковых аппаратов в суборбитальных полетах.
Кроме того, американская компания Lockheed Martin разрабатывает гиперзвуковой разведывательно-ударный самолет SR-72. Аэрокосмическая фирма сообщала о работе над двигателем комбинированного цикла, который использует элементы как турбины, так и гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя для достижения гиперзвуковых скоростей. Планируется, что SR-72 совершит первый полет в конце 2020-х годов.
Такие компании как Hermeus и Stratolaunch в США, а также Hypersonix в Австралии разрабатывают гиперзвуковые самолеты не только для военной, но и для коммерческих сфер. Первая уже успешно испытала прототип Quarterhorse с двигателем Chimera, который способен работать в разных режимах (дозвуковая, сверхзуковая и гиперзвуковая скорости). Его скорость превышала 4 Маха. В 2025 году компания создать грузовую версию беспилотника, а в 2029 году — более крупный пассажирский самолет на 20 пассажиров. Он сможет развивать скорость 7130 км/ч или 6,7 Маха и летать на расстояния до 8,5 тыс. км.
Stratolaunch же успешно испытала прототип Talon A, который сбрасывали с самолета-носителя Stratolaunch Roc. Самолет работает с жидкостным реактивным двигателем и смог развить скорость до 5 Махов.
Наконец, Hypersonix разрабатывает экологически чистую многоразовую систему для доставки малых спутников на низкую околоземную орбиту. Она будет включать ракетный ускоритель, обеспечивающего начальный набор высоты и разгон до 5 Махов, гиперзвуковой самолет, способный развивать скорость 12 Махов, и запускаемую с него небольшую ракету для вывода груза на орбиту. Система будет использовать водород, полученный из воды за счет солнечной энергии. Самолет Dart, изготовленный при помощи 3D-печати из высокотемпературных сплавов, планируется протестировать в 2025 году. Его запустят с ракеты и попробуют разогнать до 12 Махов. Долгосрочная цель Hypersonix — обеспечить доступ к космосу и предложить поколение пассажирских самолетов, которые смогут совершать перелеты из Сиднея в Лондон за два часа.
Между тем европейская компания Destinus намерена построить два гиперзвуковых самолета, которые будут развивать скорость в 5 Махов. Первый будет трансокеанским и сможет перевозить от 20 до 100 пассажиров на расстояние до 7,5 тыс. км. Компания намерена завершить этот проект к концу десятилетия. После этого она займется разработкой гиперсамолета, способного перевозить 400 пассажиров на расстояние до 20 тыс. км за несколько часов. Оба самолета будут работать на водородном топливе и летать на высоте от 30 до 40 км. Несмотря на то, что Destinus находится на этапе проектирования, она уже проводит летные испытания с использованием дозвуковых прототипов. Также компания разработала систему терморегулирования — концепцию, которая использует трубы, несущие водород, для снижения температуры на поверхности самолета. Тот же водород используется и как топливо.
Эксперты отмечают, что теоретически гиперзвуковой гражданский транспорт мог бы преобразовать сферу путешествий. Учитывая, что диаметр Земли составляет около 40 тыс. км, гиперзвуковой реактивный самолет мог бы облететь вокруг света всего за 7,5 часов. Самый продолжительный рейс из Дубая в Новую Зеландию длиной 14,2 тыс. км при этом длился бы не 16,5 часов, а всего 2 часа 40 минут.
Оружие
Учитывая характеристики скорости и маневренности, гиперзвуковое оружие подразделяется на два различных типа: крылатые ракеты с гиперзвуковым воздушным двигателем и гиперзвуковые планирующие аппараты (глайдеры). Первые сохраняют постоянную гиперзвуковую скорость, а вторые обычно запускаются сверху с помощью баллистических ракет или других систем.
Например, в России разработали гиперзвуковой планирующий летательный аппарат «Авангард». Он может нести межконтинентальные баллистические ракеты, в том числе «Сармат». При этом «Авангард» способен достигать скорости более 27 Махов. Также в стране действуют программы гиперзвуковых ракетных комплексов «Кинжал» и «Циркон». Первая ракета базируется на истребителях МиГ-31 и позиционируется как гиперзвуковой противокорабельный авиационно-ракетный комплекс. Вторая же позиционируется как гиперзвуковая противокорабельная крылатая ракета. Кроме того, в России начали производить баллистические ракеты средней дальности «Орешник», которые могут разгоняться до 11 Махов.
В 2016 году Китай провел испытание своего нового гиперзвукового оружия DF-ZF.
Его запускали на межконтинентальной баллистической ракете DF-41. В отличие от типичной боеголовки баллистической ракеты, гиперзвуковой планирующий летательный аппарат останавливается, не входя в космос, и скользит в атмосфере со скоростью от 6,5 до 11 тыс. км/ч.
А в 2022 году КНР испытала гиперзвуковую ракету с ракетным двигателем комбинированного цикла Feitian-1. Она совмещает воздушно-реактивный прямоточного двигатель, гиперзвуковый прямоточный двигатель и обычный ракетный. Это позволяет ракете разогнаться до скорости свыше 5 Махов. Переключение режимов помогает ракете справляться с потоком воздуха, а на большой высоте он работает в режиме классического ракетного двигателя.
В 2017 году США и Австралия провели секретное испытание гиперзвукового глайдера (планирующей системы), который способен летать со скоростью более 8 Махов. HiFiRE сжигает смесь топлива и кислород из атмосферы в специальной камере сгорания двигателя. Таким образом, она всасывает воздух, но снижает его скорость до дозвуковой, что обеспечивает большую эффективность двигателя и разгон до гиперзвука. Глайдер не может запускаться самостоятельно, а в качестве платформы для его разгона теоретически можно использовать ракету Orion. Летный эксперимент начинался на высоте 88 км, в это время планеры спускались по навесной траектории со скоростью 2,17 км/с.
В 2021 году в США успешно протестировали в верхних слоях атмосферы гиперзвуковую крылатую ракету HAWC (Hypersonic Air-breathing Weapon Concept). Ее запускали с самолета. Аппарат достиг скорости 5 Махов. Созданием ракеты занималась компания Raytheon Technologies, а двигатель, работающий на смеси из углеводородного топлива и воздуха, разработала корпорация Northrop Grumman.
В 2024 году США успешно протестировали гиперзвуковую ракету большой дальности (Long Range Hypersonic Weapon) Dark Eagle. Ее запустили с космодрома на мысе Канаверал. Ракета разработана корпорацией Lockheed Martin, она развивает скорость свыше 6 тыс. км/ч.
Свои гиперзвуковые ракеты «Хвасон» регулярно испытывает Северная Корея, на дальность их полета оценивают в 15 тыс. км. Всего разработкой подобного оружия занимаются более десятка стран.
Что идет после гиперзвуковой скорости
Гиперзвуковую скорость принято делить на два диапазона: гиперзвук и высокогиперзвуковая (high-hypersound). Скорости выше гиперзвуковой считаются «скоростями невозврата» космических аппаратов. Их показатели превышают 25 Махов (более 30 740 км/ч), что соответствует скоростям, при которых космические аппараты не могут возвращаться в плотные слои атмосферы без значительного повреждения или разрушения. Такие скорости характерны для космических аппаратов, которые выходят в космос и не возвращаются на Землю. В этом режиме ионизация настолько велика, что объект начинает нагреваться не за счет трения, а от радиации из окружающей его плазмы.
Категории скоростей:
- Высокогиперзвуковая скорость (до 25 Махов, около 3–7 км/с). Такие скорости характерны для возвращаемых космических аппаратов (например, спускаемых капсул) или перспективных гиперзвуковых ракет. Их развивали советский космоплан «Буран» и американский Space Shuttle.
- Первая космическая скорость (более 25 Махов или 7,8 км/с). Это минимальная скорость для выхода на околоземную орбиту, позволяющая преодолеть земное притяжение. На таких скоростях работает ракетно-космическая техника, например SpaceX Crew Dragon разгоняется до 27 165 км/ч или 25,5 Махов.
- Вторая космическая скорость (около 33 Махов или 11,2 км/с). Это скорость, необходимая для преодоления гравитации Земли и выхода в межпланетное пространство. Таких показателей достигали американские зонды «Вояджер-1» и «Вояджер-2», а также «Пионер-10» и «Пионер-11».
- Третья космическая скорость (около 49 Махов или 16,7 км/с). Это теоретическая скорость, позволяющая покинуть Солнечную систему, которой достичь пока не удалось.
Читайте также:
➤ Подписывайтесь на телеграм-канал «РБК Трендов» — будьте в курсе последних тенденций в науке, бизнесе, обществе и технологиях.