Отследить гиперзвук: каковы перспективы передовой российской рлс на мировом рынке

Технологический разрыв

Стоит отметить, что американские военачальники и представители Пентагона неоднократно отмечали, что ни один из видов войск США на данный момент не обладает схожими с Россией возможностями в области гиперзвукового вооружения.

• Глава Минобороны РФ Сергей Шойгу
• РИА Новости

Так, в ноябре 2019 года официальный представитель Пентагона подполковник ВВС Роберт Карвер заявил, что из-за стремления соперников США использовать гиперзвуковые технологии в военных целях «возникла асимметрия в плане боевых возможностей».

А в конце прошлого года американский министр обороны Марк Эспер посетовал, что США приходится нагонять Россию в разработке гиперзвукового оружия. При этом он заявил, что отставание образовалось якобы из-за того, что США сами «взяли паузу» в этой сфере.

При этом Эспер считает, что Москва якобы «разрабатывает различные виды вооружения, в том числе стратегического, не регулируемого существующим договором СНВ-III» и обладает «возможностями в области ракет средней дальности, каких нет у США».

Также по теме

«Успокаивают общественность»: почему в Пентагоне не признают влияния гиперзвукового оружия РФ на расклад сил в мире

Российское гиперзвуковое оружие «существенно не меняет» расклад сил в мире. Об этом заявил начальник штаба Сухопутных войск США Джеймс…

В свою очередь, в январе замглавы Объединённого комитета начальников штабов Вооружённых сил США генерал Джон Хайтен указал на то, что существовавшие проекты в рамках Управления перспективных исследовательских программ Пентагона (DARPA) не увенчались успехом.

Тем не менее в начале февраля 2020 года исполняющий обязанности министра ВМС США Томас Модли направил личному составу служебную записку, в которой сообщал о предстоящих в этом году испытаниях собственного гиперзвукового оружия.

При этом Модли сравнил нынешнюю ситуацию с отставанием американцев от России и Китая в сфере гиперзвука с запуском Советским Союзом первого искусственного спутника Земли в 1957 году. По его словам, тогда Соединённые Штаты вынуждены были в спешном порядке отвечать на этот вызов.

Впрочем, некоторые официальные лица пытаются принизить важность этих технологий. Так, начальник штаба Сухопутных войск США Джеймс Макконвилл заявил, что российское гиперзвуковое оружие «существенно не меняет» расклад сил в мире и в целом он доволен тем, как развиваются американские разработки в этой сфере

Однако, по мнению экспертов, американские военные не могут списывать со счетов наличие у России гиперзвуковых ракет, подобных «Циркону», так как они перечёркивают их стратегию мгновенного глобального удара. И такого вооружения нет ни у американцев, ни у англичан, ни у французов, ни у ФРГ, ни у Японии, подчеркнул Алексей Леонков.

Что такое звуковой барьер?

Звуковым барьером в аэродинамике называют целый ряд явлений, которыми сопровождается передвижение летательного средства на скорости звука (340 м/с) либо выше. Звуковой удар возникает из-за скачков давления и сопровождается «хлопком», воспринимаемым наблюдателем как звук взрыва. В результате волнового кризиса изменяется характер обтекания самолета, появляются вибрации, снижается подъемная сила и растет лобовое сопротивление.

Самолёт FA-18 Hornet, движущийся с околозвуковой скоростью

Потребность в преодолении звукового барьера возникла в годы Второй мировой войны, когда многие летчики замечали, что при увеличении скорости истребителя ухудшается его управляемость и ряд других важных характеристик, таких как корректировка элеронов и воздушных рулей. Пилоты самолетов поршневого типа, предпринимавшие попытки развить предельные скорости, неизбежно сталкивались с волновым кризисом, выбраться из которого без пикирования не представлялось возможным.

Классификация скоростей в атмосфере

При обычных условиях в атмосфере скорость звука составляет примерно 331 м/сек. Более высокие скорости иногда выражаются в числах Маха и соответствуют сверхзвуковым скоростям, при этом гиперзвуковая скорость является частью этого диапазона. НАСА определяет «быстрый» гиперзвук в диапазоне скоростей 10-25 М, где верхний предел соответствует первой космической скорости. Скорости выше считаются не гиперзвуковыми скоростями, а «скоростями невозврата» космических аппаратов на Землю.

Сравнение режимов

Характеристики потока

В то время как определение гиперзвукового потока (ГП) достаточно спорно по причине отсутствия четкой границы между сверхзвуковым и гиперзвуковым потоками, ГП может характеризоваться определенными физическими явлениями, которые уже не могут быть проигнорированы при рассмотрении, а именно:

• тонкий слой ударной волны;
• образование вязких ударных слоев;
• появление волн неустойчивости в ПС, не свойственных до- и сверхзвуковым потокам;
• высокотемпературный поток.

Тонкий слой ударной волны

По мере увеличения скорости и соответствующих чисел Маха, плотность позади ударной волны (УВ) также увеличивается, что соответствует уменьшению объема сзади от УВ благодаря сохранению массы. Поэтому, слой ударной волны, то есть объем между аппаратом и УВ становится тонким при высоких числах Маха, создавая тонкий пограничный слой (ПС) вокруг аппарата.

Образование вязких ударных слоев

Часть большой кинетической энергии, заключенной в воздушном потоке, при М > 3 (вязкое течение) преобразуется во внутреннюю энергию за счет вязкого взаимодействия. Увеличение внутренней энергии реализуется в росте температуры. Так как градиент давления, направленный по нормали к потоку в пределах пограничного слоя, приблизительно равен нулю, существенное увеличение температуры при больших числах Маха приводит к уменьшению плотности. Таким образом, ПС на поверхности аппарата растет и при больших числах Маха сливается с тонким слоем ударной волны вблизи носовой части, образуя вязкий ударный слой.

Появление волн неустойчивости в ПС, не свойственных до- и сверхзвуковым потокам

В важной проблеме перехода ламинарного течения в турбулентное для случая обтекания летательного аппарата ключевую роль играют волны неустойчивости, образующиеся в ПС. Рост и последующее нелинейное взаимодействие таких волн преобразует изначально ламинарный поток в турбулентное течение

На до- и сверхзвуковых скоростях ключевую роль в ламинарно-турбулентном переходе играют волны Толмина-Шлихтинга, имеющие вихревую природу. Начиная с М = 4,5 в ПС появляются и начинают доминировать волны акустического типа (II мода или мэкавская мода), благодаря которым происходит переход в турбулентность при классическом сценарии перехода (существует также by-pass механизм перехода).

Высокотемпературный поток

Высокоскоростной поток в лобовой точке аппарата (точке или области торможения) вызывает нагревание газа до очень высоких температур (до нескольких тысяч градусов). Высокие температуры, в свою очередь, создают неравновесные химические свойства потока, которые заключаются в диссоциации и рекомбинации молекул газа, ионизации атомов, химическим реакциям в потоке и с поверхностью аппарата. В этих условиях могут быть существенны процессы конвекции и радиационного теплообмена.

Список режимов

Гиперзвуковой поток подразделяется на множество частных случаев. Отнесение ГП к одному или другому режиму потока представляется сложной задачей по причине «размытия» границ состояний, при которых это явление в газе обнаруживается или становится заметным с точки зрения используемого математического моделирования.

Идеальный газ

В данном случае, проходящий воздушный поток может рассматриваться как поток идеального газа. ГП в данном режиме все еще зависит от чисел Маха и моделирование руководствуется температурными инвариантами, а не адиабатической стенкой, что имеет место при ме́ньших скоростях. Нижняя граница этой области соответствует скоростям около 5 М, где с дозвуковым сгоранием становятся неэффективными, и верхняя граница соответствует скоростям в районе 10—12 М.

Идеальный газ с двумя температурами

Является частью случая режима потока идеального газа с большими значениями скорости, в котором проходящий воздушный поток может рассматриваться химически идеальным, но вибрационная температура и вращательная температура газа должны рассматриваться отдельно, что приводит к двум отдельным температурным моделям. Это имеет особое значение при проектировании сверхзвуковых сопел, где вибрационное охлаждение из-за возбуждения молекул становится важным.

Диссоциированный газ

В данном случае молекулы газа начинают диссоциировать по мере того, как они вступают в контакт с генерируемой движущимся телом ударной волной. Поток начинает различаться для каждого конкретного рассматриваемого газа со своими химическими свойствами. Способность материала корпуса аппарата служить катализатором в этих реакциях играет роль в расчете нагрева поверхности, что означает появление зависимости гиперзвукового потока от химических свойств движущегося тела. Нижняя граница режима определяется первым компонентом газа, который начинает диссоциировать при данной температуре торможения потока, что соответствует азоту при 2000 К. Верхняя граница этого режима определяется началом процессов ионизации атомов газа в ГП.

Ионизированный газ

В данном случае, количество потерянных атомами электронов становится существенным и электроны должны моделироваться отдельно. Часто температура электронного газа рассматривается изолировано от других газовых компонентов. Этот режим соответствует диапазону скоростей ГП 10—12 км/с (> 25 М) и состояние газа в данном случае описывается с помощью моделей безизлучательной или неизлучающей плазмы.

Режим доминирования лучевого переноса

На скоростях выше 12 км/с передача тепла аппарату начинает происходить в основном через лучевой перенос, который начинает доминировать над термодинамическим переносом вместе с ростом скорости. Моделирование газа в данном случае подразделяется на два случая:

• оптически тонкий — в данном случае предполагается, что газ не перепоглощает излучение, которое приходит от других его частей или выбранных единиц объема;
• оптически толстый — где учитывается поглощение излучения плазмой, которое потом переизлучается в том числе и на тело аппарата.

Моделирование оптически толстых газов является сложной задачей, так как из-за вычисления радиационного переноса в каждой точке потока объем вычислений растет экспоненциально вместе с ростом количества рассматриваемых точек.

Уникальное оружие

Напомним, в конце 2019 года президент России Владимир Путин заявил, что РФ опережает другие государства по уровню развития передового оружия, являясь единственной страной — оператором гиперзвукового вооружения.   

По его словам, ситуация в новой и новейшей истории страны уникальна: «Догоняют нас». 

«Ни у одной страны сегодня нет гиперзвукового оружия вообще, а гиперзвукового оружия континентальной дальности — тем более», — сказал глава государства на заседании коллегии Минобороны, которое прошло 24 декабря.  

Владимир Путин отметил, что войска уже получили комплексы «Кинжал» и «Пересвет», началось оснащение «Авангардом». Также по плану идут работы над ракетами «Сармат», «Циркон» и «Буревестник», добавил президент. 

Уже 27 декабря глава Минобороны России Сергей Шойгу доложил президенту о постановке на боевое дежурство первого ракетного полка, вооружённого новейшим ракетным комплексом стратегического назначения с гиперзвуковым планирующим крылатым боевым блоком «Авангард». 

«Авангард», для запуска которого используется баллистическая ракета наземного базирования, способен развивать скорость в 27 Махов. 

«Вопреки всем договорам»

Стоит отметить, что Маршалл Биллингсли в ходе сенатских слушаний заявил, что США не планируют создавать ядерное гиперзвуковое оружие. При этом он обозначил наиболее перспективный театр применения будущих ракет — Азиатско-Тихоокеанский регион.  

«Гиперзвуковые средства дают целый ряд преимуществ. США, как мне кажется, стремятся развивать это направление в сочетании не с ядерным, а с обычным вооружением, и эти технологии, я считаю, станут для нас важным уравнивающим фактором — в частности, в Тихоокеанском регионе», — рассказал чиновник. 

• Спецпредставитель президента США по контролю над вооружениями Маршалл Биллингсли
• Reuters

Эксперты отмечают, что, говоря об «уравнивающем факторе» для США в АТР, Биллингсли подразумевал китайские DF-17 — твёрдотопливные ракеты среднего радиуса действия с гиперзвуковым блоком DF-ZF.  

Как отметил в беседе с RT эксперт Ассоциации военных политологов Андрей Кошкин, заявления Биллингсли о неядерном характере американского гиперзвукового оружия наряду со словами о переосмыслении ядерного потенциала выглядят не очень логично.  

По его словам, в эту концепцию укладываются всевозможные информационные публичные заявления, основанные на том, что США просто вынуждены заниматься совершенствованием ядерного арсенала, чтобы сдержать мнимую агрессию со стороны Китая и России и их разработки в сфере гиперзвукового оружия.  

Также по теме

Новый игрок: как Япония разрабатывает собственное гиперзвуковое оружие

Минобороны Японии представило план по исследованию и развитию сферы гиперзвуковых вооружений. Разработки будут вестись по двум…

«Сегодня Маршалл Биллингсли пытается в информационном пространстве создать некие когнитивные ловушки, чтобы заставить сомневаться в агрессивности США», — считает политолог.

При этом Андрей Кошкин подчёркивает, что американские разработки в области гиперзвука в первую очередь направлены против России.  

«Это так, потому что РФ уже сейчас имеет на боевом дежурстве подобное оружие. Второй на очереди — Китай, который пока не афиширует свои возможности», — считает аналитик. 

Военный эксперт Алексей Леонков в разговоре с RT также отметил, что США уже сейчас в нарушение договора СНВ-III модернизируют свой ядерный щит и строят планы по оснащению стратегических бомбардировщиков B-1B гиперзвуковыми крылатыми ракетами с ядерными боеголовками AGM-183A.

«Америка наращивает свой ядерный потенциал вопреки всем заключённым ранее договорам, но при этом заявляет, что собирается продлевать договор СНВ-III и ставит невыполнимые условия для российской стороны, например включение Китая в соглашение, отказ от комплексов, которые обнулили американскую глобальную стратегию мгновенного удара», — рассказал Алексей Леонков.  

Он полагает, что в действительности США планируют оснащать гиперзвуковые ракеты ядерными боеголовками, но сейчас заявляют об обратном, чтобы «скрыть свои агрессивные намерения». При этом уточнение спецпредставителя президента США по поводу предпочтительности применения гиперзвукового оружия в Тихоокеанском регионе говорит об ограниченных возможностях Пентагона, уверен Леонков.  

Ожидания и прогнозы

По словам аналитиков, США пытаются «сконцентрировать свои ресурсы», чтобы ликвидировать отставание от РФ и КНР в сфере гиперзвука, однако планы поставить такое оружие в войска через три года выглядят «крайне оптимистично».

«Сухопутные и морские гиперзвуковые ракеты ещё сырые, хотя финансирование на это выделяется довольно большое. Вряд ли к этому времени у них что-то получится», — отметил в беседе с RT военный эксперт Юрий Кнутов.

Главный редактор журнала «Арсенал Отечества» Виктор Мураховский в беседе с RT также выразил сомнение в том, что в 2023 году у американских вооружённых сил в строю будет боеспособное гиперзвуковое оружие.

«Если посмотреть на бюджет Пентагона на следующий год, то по этому документу незаметно, что Вашингтон прикладывает какие-то особые усилия по ускорению программ гиперзвукового вооружения, средства на них выделяются в плановом порядке. Известно, что имеются четыре программы: две программы военно-морского флота, ВВС и сухопутных сил. Наиболее успешна среди них программа создания ракеты для ВВС, которая в следующем году будет проходить испытания. Что касается ракеты с гиперзвуковым планирующим блоком для сухопутных войск, то я сильно сомневаюсь, что они к 2023 году успеют поставить их на вооружение», — заключил эксперт. 

• Пентагон США
• AFP

К тому моменту, как США поставят на вооружение боеспособный гиперзвук, Россия уже будет располагать эффективными средствами обороны, полагает Кнутов.

Напомним, в июне президент России Владимир Путин сообщил, что для российской армии создаётся эффективное средство перехвата гиперзвуковых боеприпасов.

«Пока с 2018 года так ни у кого это (гиперзвуковое. — RT) оружие не появилось. Ещё. Оно появится. Но мне думается, что мы сможем приятно удивить наших партнёров тем, что, когда у них это оружие появится, с большой долей вероятности у нас появится средство борьбы с этим оружием», — сообщил российский лидер.

По словам президента, благодаря прогрессу в сфере военного гиперзвука Россия оказалась в уникальном положении, получив возможность своевременно разработать системы, способные бороться с вражескими аппаратами, летящими со скоростью более 5 Махов.

«Повторяю ещё раз: с большой степенью вероятности у нас средство борьбы с гиперзвуковым оружием появится к тому моменту, когда у ведущих стран мира появится это самое гиперзвуковое оружие», — подчеркнул Путин.

Проблемы сверхзвукового полета

Как бы ни разгонялся обычный самолет, он не сможет длительное время лететь на сверхзвуковой скорости. Дозвуковые самолеты отличаются более плавными и округленными формами. А при полете на сверхзвуковой скорости возникают иные аэродинамические условия.

Резко увеличивается сопротивление воздуха, корпус самолета нагревается из-за трения. В результате обычный самолет потеряет стабильное управление и может начать разрушаться прямо в воздухе.

Активно развиваться сверхзвуковая авиация начала в 50-60-х годах. Первым сверхзвуковым самолетом, который выпускался серийно, стал истребитель North American F-100 Super Sabre. Данная модель впервые совершила полет в 1953 году.

Создавались и пассажирские сверхзвуковые самолеты, которые выполняли регулярные рейсы. Но их было всего 2: советский Ту-144 и англо-французский Concorde.

Сверхзвуковой пассажирский самолет Ту-144

Преимущество таких самолетов – это преодоление больших расстояний за короткий промежуток времени. Также сверхзвуковой самолет перемещается на большей высоте по сравнению с обычными. Соответственно, воздушное пространство не загружено. Но от их использования вскоре отказались из-за нескольких недостатков:

• ударная волна;
• большой расход топлива;
• сложность эксплуатации;
• шум над аэродромом.

Громкий хлопок – это резкий скачок давления перед самолетом, образующийся в момент, когда самолет начинает двигаться со сверхзвуковой скоростью (преодолевает звуковой барьер). Ударная волна, возникающая перед самолетом, распространяется конусообразно. Человек, наблюдающий за полетом самолета, слышит хлопок, когда эта волна достигает его, и только после этого можно услышать работу двигателя. Ударная волна постоянно сопровождает самолет на сверхзвуковой скорости. Однако хлопки будет слышно лишь во время прохождения самолета в определенной точке – поблизости с наблюдателем.