Самолет х 43а

Cегодня в США реализуют программу Hyper-X, создавая серию БЛА Х-43 для изучения условий полета в диапазоне скоростей М=5-15. Их особенность — в использовании ВРД различных типов, существенно превосходящих по технико-экономическим показателям традиционные ЖРД. Подобные силовые установки сначала, вероятно, будут применять в военной технике (КР, гиперзвуковые бомбардировщики), а в более отдаленной перспективе — на многоразовых транспортных космических системах (МТКС), выводящих грузы на околоземные орбиты.

Учитывая значимость программы Hyper-X, как элемента утвержденной в 2001 г. «Национальной стратегии в области гиперзвуковых полетов» (National Hypersonics Strategy), помимо ее основных задач и перспектив развития, начнем с обзора аналогичных проектов прошлых лет.

Экспериментальные проекты В середине 1940-х годов ВВС, ВМС и NACA (предшественник современного NASA) утвердили план работ по изучению условий полета на транс- и сверхзвуковых скоростях. В рамках первого этапа программы была создана серия экспериментальных самолетов под общим (но не без исключений) обозначением «Х». Из первых ракетопланов следует упомянуть:

  • Х-1, на котором в 1947 г. впервые преодолели сверхзвуковой барьер;
  • D-558-2 Skyrocket (для оценки стреловидного крыла с дозвуковым профилем). В 1953 г., оснащенный комбинированной силовой установкой с ТРД и ЖРД, он развил скорость М=2;
  • Х-2 для исследований термодинамических нагрузок на скоростях до М=3 (рекорд скорости, установленный на нем в 1956 г., стоил пилоту жизни).

Ряд программ серии Х посвятили освоению технологий высокоскоростных ЛА с ВРД. Весьма успешным проектом считают Х-7, в ходе которого испытали КР с ПВРД. Для ее разгона до скорости, допускающей запуск маршевого двигателя, использовали два ТТУ. Конструктивной особенностью ракеты Х-7 для полетов со скоростью М=4 была возможность отработки на ней ПВРД различных типов. Испытанные позже силовые установки использовали в составе ракеты-перехватчика «Бомарк» (Bomarc) со скоростью полета до М=2,5.

Технологически важной стала разработка ударной системы «Навахо» (Navaho). Эту стратегическую КР со скоростью полета М=3 на дальность до 10 тыс. км строили по схеме «утка» с треугольным крылом и двумя ПВРД на нем. Стартовала система общей массой около 140 т с жидкостным ускорителем и тремя кислородно-керосиновыми ЖРД. В целом программу летных испытаний 1956-58 гг. признали неудачной, и проект закрыли. Однако в ряде полетов многие компоненты, в т.ч. силовые установки разгонной и маршевой ступеней работали стабильно, и освоенные в рамках проекта технологии развили дальше: на базе ЖРД ускорителя создавали двигатели БР и РН, новые методы производства и сборки обечаек топливных баков и фюзеляжа использовали в ракетной и авиатехнике (в т.ч. при создании ракетоплана Х-15).

Необходимость разработки нового экспериментального самолета, способного летать со скоростью М=4-10 на высотах 20-80 км, обсуждали военные и гражданские специалисты в начале 1950-х годов. Общую концепцию машины (Х-15А) утвердили в конце 1954 г. В проекте участвовали ВВС, ВМС и NACA. Полеты ракетопланов Х-15А длиной 15,5 м с размахом крыла 6,8 м начались в 1959 г В ходе испытаний изучали условия их полета и входа атмосферу, оценивали новые теплозащитные покрытия, психофизические аспекты управления ЛА в безвоздушном пространстве и пр. Тем самым готовили базу для перспективных воздушно-космических самолетов (ВКС), способных совершать орбитальные полеты (их относили к третьему этапу комплексной программы исследований).

В ходе запусков трех ракетопланов Х-15А с борта самолета В-52 удалось достичь рекордных для данного класса аппаратов высоты (108 км) и скорости полета (М=6,72). Первые три года испытаний показали высокие летные характеристики Х-15А. В 1962 г. утвердили план мероприятий по подготовке Х-15А к полетам со скоростью М=8. Для продления активного участка (с 86 до 145 с) один из летных образцов (Х-15А-2) оснастили ПТБ, которые после выработки компонентов спускались на землю с парашютами.

Кроме того, в удлиненной центральной части фюзеляжа модифицированного изделия разместили бак для жидкого водорода, который планировали использовать в экспериментальном ПВРД. Установленный на подфюзеляжном киле, он существенно расширил бы область применения ракетопланов. Поэтому одновременно с подготовкой Х-15А-2 к гиперзвуковым полетам изучали условия обтекания макета перспективного ПВРД. К испытаниям же реального изделия предполагали приступить в 1969 г

Однако работы по проекту прекратили после запуска ракетоплана 3 октября 1967 г. Тогда его скорость достигла рекордной отметки в 2020 м/с, соответствующей М=6,72, но полет едва не закончился катастрофой -тепловые нагрузки на аппарат существенно превысили расчетные значения. Наиболее пострадала хвостовая часть самолета, где проявился неизвестный ранее эффект наложения тепловых потоков различных скачков уплотнения. Аэродинамическая интерференция при обтекании макета ПВРД вызвала семикратный рост тепловых нагрузок, и температура на передней кромке подфюзеляжного киля достигла 1650╟С. В результате сноса абляционного покрытия и разрушения конструкции пилона макет двигателя сорвало, повредив некоторые коммуникации в хвостовом отсеке. Тем не менее, пилоту удалось совершить посадку. Состояние самолета вынудило NASA и ВВС отказаться не только от экспериментов с ПВРД, но и вообще от скоростных полетов изделия.

Неудача с подвесным ПВРД заставила конструкторов скорректировать концепцию развития аппаратов Х-15А. Еще в середине 1960-х годов начали рассматривать варианты его кардинальной модернизации: один из ракетопланов планировали оснастить треугольным крылом и более мощным разгонным ЖРД (например, кислородно-водородным J-2S с верхней ступени ракеты «Сатурн») и, самое главное, ПВРД со сверхзвуковым горением (СПВРД), который обеспечил бы крейсерскую скорость полета на уровне М=12. Особенностью последнего было то, что его не подвешивали на киле или пилоне, а монтировали в нижней части фюзеляжа.

В то же время проектировали и экспериментальные аппараты с комбинированной силовой установкой из ТРД (для самостоятельного взлета и разгона до скорости М=3) и СПВРД. Один из проектов предусматривал кольцевое расположение воздухозаборников двигателей. Рассматривали также различные схемы разгона моделей — либо с ТТУ после отделения от самолета В-52, либо сброс с экспериментального бомбардировщика ХВ-70 «Валькирия» на скорости М=3.

Использование ВРД, работающих на атмосферном кислороде, существенно улучшает энергетические и массо-габаритные характеристики авиационно-космических систем. А комбинированные силовые установки позволяют создать одноступенчатые средства выведения КА.

Одним из первых таких проектов считается одноступенчатый ВКС Aerospace Plane, оснащенный двигателем с системой сбора атмосферного кислорода. Самолет должен взлетать горизонтально при работе силовой установки в режиме двухконтурного турбопрямоточного двигателя (ТРДДП) на жидком водороде. На скоростях М=3-10 установка функционировала бы как «обычный» СПВРД. При этом осуществлялся забор и сжижение атмосферного кислорода (исследования данных технологий NASA возобновило в 2001 г.). После заполнения баков окислителя силовая установка ВКС начинала работать в режиме традиционного ЖРД до выхода на околоземную орбиту. Завершив орбитальные операции, аппарат Aerospace Plane совершал маневренный спуск с посадкой «по-самолетному».

По предварительным оценкам, разработку МТКС Aerospace Plane можно было завершить к концу 1970-х годов, однако из-за технических сложностей в середине 1960-х проект закрыли. Кроме того, реализация «лунной программы» существенно ограничивала финансирование столь амбициозного проекта. А в начале 1970-х годов для транспортного обеспечения национальной космической программы выбрали МТКС «Спейс Шаттл», оснащенную ракетными блоками -более отработанными и надежными. В итоге работы по новым силовым установкам для высокоскоростных ЛА ограничили лишь стадией НИОКР.

Проектно-конструкторские работы по одноступенчатым ВКС с ВРД активизировались в 1980-е годы, когда с началом полетов МТКС «Спейс Шаттл» стало ясно, что новая транспортная система не соответствует многим требованиям. Особое значение это имело в отношении планов ее эксплуатации в военных целях. Минобороны столкнулось со следующими проблемами:

  • низкая оперативность применения из-за продолжительной предстартовой подготовки и загруженности МТКС по программам NASA;
  • уязвимость системы в наземных условиях и в орбитальном полете;
  • высокая стоимость эксплуатации, усугубленная высокими затратами на обеспечение режима секретности и скрытности подготовки и проведения полетов;
  • отказ от запусков МТКС на полярные орбиты с разведывательными задачами;
  • отказ от применения в составе МТКС для безопасности экипажа криогенных разгонных блоков, что не позволяет выводить тяжелые спутники на стационарную орбиту.

Транспортное обеспечение военных программ осложняли планы развертывания многочисленной орбитальной группировки перспективной системы ПРО — «Стратегической оборонной инициативы» (СОИ). Объемы грузопотока в космос для нее оценивали в несколько тысяч спутников легкого и среднего класса. Причем, для восполнения орбитальных систем требовались чрезвычайно высокие темпы запусков новых аппаратов. МТКС «Спейс Шаттл», а также новая РН тяжелого класса «Титан-4» не соответствовали требованиям ни по эксплуатационным, ни по экономическим показателям. Ожидаемые объемы финансирования этапа развертывания орбитального сегмента системы ПРО требовали снизить удельные затраты на запуск в 7-10 раз.

Решить задачу радикального снижения стоимости выведения КА можно, используя многоразовые одноступенчатые ТКС с эксплуатационными затратами, принятыми для авиации. Поэтому большинство исследований в 1980-е годы ориентировали на создание ВКС, способного совершать гиперзвуковые полеты в верхних слоях атмосферы и выходить на околоземную орбиту.

В 1985 г. начались работы по комплексной программе NASP (National Aero-Space Plane), к реализации которой привлекли военных во главе с ВВС и NASA. Программа получила статус засекреченного «черного проекта», поэтому о ее результатах, как, впрочем, и об исходных задачах, судить затруднительно. Тем не менее, согласно публикациям, цель программы NASP — создание двух пилотируемых экспериментальных самолетов Х-30 с горизонтальным взлетом и посадкой. Демонстрационные модели перспективной МТКС, оснащенные СПВРД, должны были совершать полеты с крейсерской скоростью М=5-15, а при использовании небольшого ракетного двигателя выходить на околоземную орбиту. Мобильность, непродолжительное послеполетное обслуживание на обычной авиабазе и возможность оперативного запуска существенно снижали уровень уязвимости таких ВКС по сравнению с МТКС «Спейс Шаттл».

На стадии концептуальных исследований новая транспортная система или созданные на ее базе ЛА рассматривали в качествах:

  • стратегического бомбардировщика для замены проектируемого тогда самолета В-2;
  • истребителя-перехватчика боевых авиационных средств и МБР, то есть, подобные аппараты должны были стать элементами системы ПРО;
  • высокоскоростного разведчика;
  • боевой крылатой ракеты.

На основе анализа разных аэродинамических схем наиболее оптимальным для аппарата NASP признали несущий корпус с небольшим дельта-крылом и двухкилевым вертикальным оперением. Интегральная компоновка изделия использовала нижнюю поверхность фюзеляжа для предварительного сжатия потока перед силовой установкой из трех СПВРД. Профилированная кормовая часть играла роль элемента сопла.

Стартовую массу Х-30 определили в 113 т (позже она возросла до 159 т), при длине 4661 м. В справочниках и публикациях о программе грузоподъемность изделия не указывали. Лишь один раз сообщили, что при габаритах, сопоставимых с размерами орбитальной ступени «Спейс Шаттл», новый аппарат должен выводить в космос грузы массой 9 т. Затраты на создание двух ВКС оценивали в 10,4 млрд. долл. (цены 1992 г.). Первый полет изделия с крейсерской скоростью М=5-15 должен был состояться в 2000 г., а с выходом на орбиту — в 2002 г.

По программе NASP успехов достигли в разработке новых СПВРД, конструкционных материалов и пр. (секретность проекта не допускает публикации подробных сведений в печати). Однако серьезные технические проблемы выявили невозможность создания подобных аппаратов в ближайшие годы. В 1993 г. программу, расходы на которую достигли 2 млрд. долл., прекратили.

Наиболее сложной задачей проекта стало создание теплозащиты аппарата Х-30. Высокие тепловые нагрузки обусловила выбранная схема выведения, рассчитанная на максимальное использование ВРД. Таким образом, большая часть гиперзвукового полета проходила в плотных слоях атмосферы, что перегревало конструкцию.

Проблема теплозащиты стала одним из парадоксов программы Х-30. По сообщениям прессы, отработки системы активного охлаждения фюзеляжа и двигателей жидким водородом прошли успешно. Однако позже на ВКС предложили использовать матричные композиты из титанового сплава, усиленного нитями карбида кремния. Последний вариант многие специалисты априорно признавали нереальным. В частности, проводили аналогию с самолетом SR-71, на охлаждение титановой обшивки которого после полета со скоростью М=3 требуется около 1,5 ч. Тогда как цикл наземных операций с аппаратом Х-30 при более скоростных полетах определялся всего получасом. Это говорил конструктор фирмы Lockheed, разработавшей самолет SR-71.

Другим вопросом-загадкой аппарата Х-30 остается горизонтальный старт изделия. Подобный взлет упрощает предпусковую подготовку, но сопровождается повышенными нагрузками на элементы конструкции, в первую очередь, на шасси. Однако усиливать их проблематично: на одноступенчатой МТКС масса конструкции — критический проектный параметр. Поэтому горизонтальный старт требует не только высокоэффективной силовой установки, но и радикального снижения «сухой» массы изделия применением новейших конструкционных материалов. Однако неудачный опыт последующих проектов (в т.ч. гиперзвукового ЛА Х-33, кстати, с вертикальным стартом) показал, что американские компании и в конце 1990-х годов не были в состоянии освоить соответствующие технологии.

Так чем же объясняются подобные противоречия — грубыми просчетами в оценке технологических возможностей промышленных фирм или несоответствием задач изделия его реальному предназначению?

Несмотря на закрытие программы NASP, оргструктуры проекта с налаженной кооперацией сохранили, и подрядчики продолжали стендовую отработку отдельных компонентов. В 1993 г. опубликовали планы летных испытаний в 1997-2000 гг. наиболее важных технологий. Для этого готовили несколько экспериментальных аппаратов Hyflte (Hypersonic Flight Test Experiment). Две модели Hyflte-1 клиновидной формы с охлаждаемой передней кромкой предназначались для изучения условий гиперзвукового полета со скоростями М=12-15. Верхняя часть изделия — поверхность изоэнтропического сжатия. Нижняя часть с несколькими уступами имитировала воздухозаборник двигательной установки.

Три аппарата Hyflte-2 готовили для натурных испытаний 30%-ной модели СПВРД аппарата Х-30, работающие на газообразном водороде. Эти эксперименты казались менее сложными, и их решили проводить первыми. Для разгона Hyflte-2 и Hyflte-1 практически одинаковой формы и массы планировали использовать переоборудованные МБР «Минитмен-2». Отделения моделей от ракеты не предусматривали, а управление и стабилизацию должны были выполнять бортсистемы второй ступени МБР.

Аппараты Hyflte-3 с СПВРД на жидком водороде предназначали для автономного гиперзвукового полета. Внешне они схожи с самолетом Х-30, но длиной 14,5 м. В ходе летных испытаний трех аппаратов предполагали получить данные по ключевым проблемам программы NASP: аэродинамике (в частности, определить точку перехода пограничного слоя), двигательной установке, теплозащитным покрытиям, а также возможности управления и стабилизации.

Запускать Hyflte-3, оснащенные тремя СПВРД, намечалось ракетами «Титан-2» с базы Ванденберг (шт. Калифорния). После выполнения «горки» и разгона на высоте 33 км до М=12-15 аппарат отделился бы от ракеты и продолжил полет самостоятельно. Предполагали, что за время работы силовой установки (30 с) скорость возрастет на 1,5 единицы (в числах Маха), а изделие, спланировав, приводнится в Тихом океане.

Создавала требуемые СПВРД группа фирм, возглавляемая Pratt and Whitney. В 1994 г они провели свыше 20 стендовых запусков 30%-ной модели штатного двигателя. Опытный образец CDE (Concept Demonstration Engine) стал самым крупным СПВРД, изготовленным и испытанным по программе Х-30 (длина — 4,8 м, масса — 2,25 т). Успешные запуски в Центре Лэнгли продолжительностью до 30 с подтвердили работоспособность изделия. Для испытаний экспериментального двигателя в реальных условиях на скоростях до М=15 в 1994 г. учредили программу HySTP (Hypersonic System Technology Programme). В последующие пять лет на проект, возглавленный ВВС и NASA, планировали израсходовать около 500 млн. долл.

Трансформация программы NASP с постепенным снижением уровня разработок с ВКС Х-30 до натурных испытаний отдельных технологий окончательно завершилась закрытием проекта HySTP в 1995 г. Прекращение работ по элементной базе аппарата Х-30 отчасти связывают с приходом к власти У. Клинтона. В отличие от предшественников-республиканцев — Р.Рейгана и Дж.Буша-старшего — инициаторов СОИ, новая администрация была критически настроена к крупномасштабным военным проектам с элементами космического базирования. Но основной причиной свертывания программы Х-30 была, конечно, ее сложность и неудовлетворительная организация работ при совместном руководстве военного и гражданского ведомств. В соответствии с президентской директивой 1994 г., ВВС сосредоточились на менее рискованных кратко- и среднесрочных проектах (как программа HyTech по созданию СПВРД на углеводородном горючем для боевых ракет), а более перспективные и дорогостоящие разработки передали в ведение NASA.

Эта же участь постигла и материалы анализа концепции гиперзвукового стратегического бомбардировщика Global Reach («Глобальная досягаемость»), проведенного в начале 1990-х специалистами Лаборатории Райта — подразделения ВВС. Данную ударную систему с взлетной массой 226 т и длиной около 60 м рассчитывали на полеты со скоростью М=10, что позволяло преодолевать расстояния в 15 тыс. км за 1,5 ч. Силовая установка самолета состояла из двигателей двух типов — турбопрямоточного (на углеводородном горючем) и водородного ПВРД. Первые должны были обеспечить старт изделия и разогнать его до скорости М=4,5, а потом включились бы ПВРД, в т.ч. в режиме сверхзвукового горения.

На основе материалов ВВС Центры Лэнгли и Драйдена приступили к программе Hyper-X, предусматривавшей в 2000-2002 гг. запуск трех гиперзвуковых аппаратов Х-43А. Создание и испытание моделей (6%-ной копии бомбардировщика Global Reach) оценили в 150 млн. долл., но к началу летных испытаний в 2001 г. затраты проекта достигли 185 млн. долл. Основные подрядчики программы — фирма MicroCraft (корпус), корпорация Boeing (системы управления и ориентации, теплозащитные покрытия, программное обеспечение) и Лаборатория GASL (двигательная установка).

Экспериментальные Х-43А массой 1,3 т и длиной 3,6 м спроектированы по схеме несущего корпуса с небольшим дельта-крылом размахом в 1,6 м и двумя килями. Носовая часть моделей — из вольфрама (массой 408 кг), передние кромки крыла и килей — из углерод-углеродного материала, корпус и несущие поверхности — из сплава Haynes с керамической теплозащитой. Форма носовой части должна обеспечить предварительное сжатие потока перед двигателем, а хвостовая — выполнять функции сопла. СПВРД длиной 76,2 см и шириной 50,8 см под фюзеляжем работает на газообразном водороде. Компонент массой 1,36 кг, способный обеспечить работу двигателя в течение 7-10 с, хранится на борту в двух баках емкостью по 0,015 м3 под давлением 600 кг/см2. Поступать горючее в камеру из медного сплава будет под давлением 84 кг/см2. Запускать двигатель предполагается, одновременно впрыскивая в камеру водород и силан, образующие самовоспламеняющуюся смесь. Последний закачивают в рабочие емкости под давлением 313 атм. В штатном режиме заправлять модели горючим и прочими компонентами планируют за 36 ч до испытаний.

Остальные характеристики СПВРД аппаратов Х-43А засекречены. О наземной отработке сообщали, что состоялось свыше 600 стендовых запусков, из которых около 75 продувок провели в Центре Лэнгли — в высокотемпературной аэродинамической трубе НТТ (High Temperature Tunnel), где ранее испытывали модель CDE.

Первые два Х-43А рассчитаны на полеты со скоростью М=7, а третий — на достижение М=10. В полете третьей модели температурные нагрузки возрастут примерно вдвое, что потребует внести изменения в ее конструкцию. В частности, усилить теплозащиту передних кромок килей и носовой части. Носок аппарата придется покрыть более термостойкими материалами или оснастить системой охлаждения. Менее трудоемкий первый вариант более предпочтителен, однако в настоящее время имеется лишь несколько покрытий на основе гафния и циркония, способных выдержать такие нагрузки.

В качестве средства разгона моделей используют первую ступень ракеты «Пегас» корпорации Orbital Sciences. Масса ракеты, переходника и аппарата составит 18,7 т. Запускать «Пегасы» будут над Тихим океаном с борта В-52 на скорости 460 км/ч и высоте 7-8 км. После отцепки ракета поднимется на 28,5 км и перейдет в горизонтальный полет с заданной скоростью. На активном участке продолжительностью 88 с максимальные аэродинамические нагрузки на изделие составят 0,49 кг/см2.

Отделение Х-43А от «Пегаса» после срабатывания четырех пироболтов обеспечат два толкателя с рабочим ходом 24 см. Они придадут модели относительную скорость 3-4 м/с. Две телекамеры на переходнике ракеты зафиксируют всю операцию продолжительностью 0,2-0,5 с. На пятой секунде автономного полета Х-43А включится двигатель.Предполагают, что у первых двух изделий они будут функционировать сначала с дозвуковым, а затем со сверхзвуковым горением. Двигатель третьей модели сразу обеспечит сверхзвуковое горение. Спасать аппараты Х-43А не планируют из-за большой стоимости этих работ, а все данные эксперимента примут по каналам связи. Спаренная система телеметрической информации рассчитана на регистрацию свыше 500 показателей. Кроме того, трансляция 25 ключевых параметров двигателя будет продолжаться вплоть до приводнения. Удаленность района падения Х-43А от точки отцепки оценивают в 1260-1800 км, а продолжительность полета — 10-15 мин.

Запуск первого аппарата Х-43А в июне 2001 г. окончился неудачей — из-за отказа «Пегаса» сборку подорвали на первой минуте полета. Испытания всех Х-43А планировали завершить к середине 2002 г., однако безрезультатное расследование причин аварии задержало ход работ. Только летом 2002 г. NASA санкционировало подготовку к полету второй модели, а это требует больше года.

Несмотря на неудачное начало, специалисты рассматривают проект Х-43А, как основу дальнейшего освоения перспективных технологий. В соответствии с концепцией 2001 г. «Национальная стратегия в области гиперзвуковых полетов», на базе Х-43А создадут три новых аппарата. Один из них — Х-43С массой 2,26 т и длиной 5 м проектируют как увеличенную копию прототипа. Модель планируют оснастить тремя СПВРД на углеводородном горючем, проектируемыми фирмой Pratt and Whitney в рамках программы HyTech. Они обеспечат вдвое большую тягу, чем водородный СПВРД аппарата Х-43А. Запас топлива (272 кг) на активный участок полета продолжительностью до 4 мин. разместят по бортам расширенного корпуса. На днище смонтируют маршевые двигатели длиной 1,9 м и общей шириной 68,6 см.

Особенностью СПВРД, охлаждаемых горючим, станет изменяемая геометрия воздухозаборников, что важно для маневренных аппаратов и разгонных крылатых ступеней перспективных МТКС. Учитывая сложность проекта, NASA готовит интенсивную программу аэродинамических испытаний уменьшенной в масштабе 2/3 модели силовой установки аппарата Х-43С. Названная MFPD (Multimodule Flowpath Propulsion Demonstrator — «Демонстратор установки с несколькими воздушными каналами»), она изготовлена большей частью из меди и не имеет системы охлаждения.

Целью испытаний в аэродинамической трубе НТТ Центра Лэнгли называют оценку работоспособности воздухозаборников при различных углах атаки и скольжения на скоростях М=5-7, изучение взаимодействия силовой установки с корпусом аппарата, хвостовой части с пламенем двигателей и пр. Эксперименты начнутся в конце 2003 г. и продлятся более года. Затем (в 2005 г.) NASA испытает штатную силовую установку с элементами конструкции аппарата Х-43С. При их успешном завершении в 2006-2008 гг. состоится демонстрационный полет первого изделия (предполагают изготовить два-три летных образца). Испытывать Х-43С, как и базовую модель, будут с ракетой «Пегас». После отделения от разгонной ступени двигатель увеличит скорость изделия с М=5 до М=7.

Следующим этапом гиперзвуковых полетов должна стать программа Х-43В с ориентировочной стоимостью 600 млн. долл. Проект предполагает создание многоразового ЛА на 25 полетов со скоростью до М=7. В зависимости от типа силовой установки и аэродинамической схемы длина новой модели будет 10-12 м, а поперечный размер — 4,2 м. Х-43В оснастят комбинированными двигателями на углеводородном горючем. Теоретически способные работать от момента взлета до высоких гиперзвуковых скоростей, они позволят отказаться от ракетных разгонных блоков — после отделения от носителя изделие само выйдет на расчетный режим полета со скоростью М=5-7.

Для изучения условий дозвукового полета и посадки аппаратов в NASA разработали две опытные модели — X-43A-LS и X-43B-LS (Low Speed — «низкоскоростные»). Эти БЛА расчитаны на самостоятельный взлет, автономный полет в течение 5 мин. со скоростью 540 км/ч и посадку при скорости 144 км/ч и с углом атаки 12-15О. X-43A-LS длиной 3,6 м и массой 81,5 кг оснащен небольшим ГТД со статической тягой 54,4 кг. В октябре 2001 г модель успешно прошла скоростные рулежные испытания, совершив полет продолжительностью 16 с при скорости бокового ветра 21,6 км/ч. В составе ее оборудования используют самообучающуюся БЦВМ на нейронных сетях. X-43B-LS HySID (Hypersonic Systems Integrated Demonstrator — «Модель гиперзвукового аппарата интегральной схемы») по схеме «утка» — еще в стадии изготовления. Ее длина — 4,5 м, размах крыла 2,7 м, масса — 136 кг, оснащен тремя ГТД SWB-100 со статической тягой по 48,5 кг.

На перспективу ориентирован проект аппарата Х-43D с водородным СПВРД и скоростью полета до М=15. В отличие от исходной модели Х-43А, его оснастят двигателем с системой охлаждения криогенным горючим. Продолжительность активного участка полета составит около 10 с. Успех проекта Х-43D позволит решить все исходные задачи программы Hyper-X, заключавшиеся, напомним, в подготовке прототипа стратегического бомбардировщика Global Reach.

Сопоставляя планы с этапами летной отработки элементов ВКС Х-30, можно провести определенные параллели, а общие истоки проектов Х-30 и Х-43 дают основания полагать, что основной задачей программы NASP было создание гиперзвукового ударного ЛА. В рамках данного проекта над одноступенчатой МТКС самолетного типа если и работали, то на уровне концептуальных исследований и оценок возможностей использования перспективных технологий.

Заявка на полеты аппаратов Х-30 в 2000-2002 гг. «опередила» современные оценки развития авиакосмической техники примерно на четверть века. Сегодня в NASA рассматривают одноступенчатые средства выведения грузов в космос лишь как возможные для МТКС третьего (после «Спейс Шаттл») поколения. Но создадут их только после 2025 г. Результаты работ NASA по освоению гиперзвуковых технологий найдут применение, как учит история, сначала в боевых системах. Одно из положений концепции «Национальная стратегия в области гиперзвуковых полетов» указывает на необходимость тесного сотрудничества между военными и гражданскими. Поэтому сразу после опубликования директивы началось формирование групп координации НИОКР научных подразделений всех видов вооруженных сил и NASA.

Отказ от выбранной прежде стратегии строгого распределения задач между военными структурами (в первую очередь ВВС) и NASA обусловила очередная смена руководства страны. Дж. Буш-младший, придя к власти в 2001 г., активно продолжил научно-техническую политику прежних республиканских президентов, утвердивших такие программы, как СОИ и NASP.

Первые успешные испытания X-43A были проведены 27 марта 2004 года. Удалось достичь скорости в М=7. 15 ноября X-43A устанавливает новый мировой рекорд скорости для аппаратов этого класса, пролетев 800 километров над островом Святого Николая в Тихом океане со скоростью М=10 (ок. 11000 км/ч).

ЛТХ:

Модификация X-43A
Размах крыла, м 1.50
Длина, м 3.66
Высота, м 0.60
пустого самолета
максимальная взлетная 1270
Тип двигателя 1 ГПВРД
Тяга, кгс 1 х
Максимальная скорость , км/ч (M) 8000-11000 (7-10)
Практический потолок, м 30000
Экипаж нет

Доп. информация :

Гиперзвуковой самолет X-43A

Гиперзвуковой самолет X-43A – это самый быстрый самолет в мире. Ни один из видов транспортных средств, созданных человеком, не способен развить скорость, с которой перемещается X-43A. Кроме того, что это самый скоростной летательный аппарат, это еще и концепт самолета будущего, который по своему влиянию на мировую авиацию можно сравнить с легендарным самолетом братьев Райт.
Скорость гиперзвукового самолета X-43A составляет 11 230 км/час. Это почти в десять раз быстрее скорости звука. Для сравнения самые быстрые сверхзвуковые истребители могут летать на скоростях, превышающих скорость звука не более, чем в два раза. Х-43А уже внесен в Книгу рекордов Гиннеса, и вряд ли этот рекорд будет быстро побит.
Датой появления гиперзвукового самолета X-43A принято считать 15 ноября 2004 года. Но это лишь дата, когда удалось выйти на самый большой показатель по скорости. Работы же по созданию подобных гиперзвуковых летательных аппаратов начались еще в 1960-е годы.

Гиперзвуковой самолет X-43A – это беспилотный летательный аппарат. Пока нет необходимости сажать туда летчика, так как он просто не сможет эффективно управлять процессом из-за высоких скоростей. Всем управляет компьютер. Подобные летательные аппараты в будущем смогут доставлять пассажиров в любую точку Земли всего за 3–4 часа, при этом управляться полностью автономно.
Но не только скорость является прорывным достижением. Гиперзвуковой самолет X-43A полностью экологически безвреден. Он использует совершенно другой принцип получения тяги двигателей. В нем не используется традиционное топливо на основе нефти или других синтетических веществ. То, что приводит самолет в движение – это смесь кислорода и водорода. А продуктом горения, вылетающим из сопла Х-43А, является не что иное, как перегретый водяной пар, который абсолютно безвреден. Самолет даже не нужно специально заправлять кислородом. Он берет его из воздуха. А в баки заливается лишь жидкий водород.
Гиперзвуковой самолет X-43A создали в США. В проекте принимало участие много ученых, различных компаний и военных ведомств. Формально создателем значится компания MicroCraft Inc. Но, кроме нее, имеет смысл указать еще две – NASA и Orbital Sciences Corporation. Именно эти три компании внесли основную лепту в появление такой уникальной летающей машины.

До успешного старта в 2004 году был еще один – в 2001. Тогда полет Х-43А сопровождали истребители F-18, которые парами летали на пути следования самолета, так как не могли все время лететь рядом из-за разности скоростей. Один из пилотов истребителя заметил, что Х-43А стал вести себя неадекватно и вышел из-под контроля. Чтобы не рисковать, первый Х-43А просто сбили.
В настоящее время летательный аппарат используют в качестве прообраза для создания как боевой, так и гражданской авиатехники. Boeing собирается на основе Х-43А создать первый пассажирский гиперлайнер. Он будет в два раза меньше современных самолетов, а летать будет в 12-15 раз быстрее. Недостатком такого лайнера может быть лишь отсутствие иллюминаторов, но это не столь уж и критично.

Суперсамолет Х-43А установил мировой рекорд скорости

ВСЕ ФОТОХ-43 А был поднят в воздух самолетом ВВС США Б-52
Euronews Так как этому аппарату не требуется собственное топливо, количество полезного груза, который он может выводить на орбиту, значительно увеличится по сравнению с обычной ракетой-носителем
Euronews Общая стоимость программы по разработке Х-43 А составляет 250 млн долларов
Euronews А затем с помощью ракеты-носителя был отправлен в самостоятельный полет над Тихим Океаном на высоту 30 тысяч метров
Euronews Уникальность Х-43 А заключается в том, что его двигатель вырабатывает необходимое для полета топливо из окружающего воздуха
Euronews Целью испытания самолета, который представляет собой нечто среднее между космическим аппаратом и самолетом, является поиск альтернативных моделей для запуска полезных грузов на низкую орбиту
Euronews В США успешно завершились испытания суперсамолета NASA Х-43 А, который смог совершить полет со скоростью, превышающей скорость звука в десять раз
Euronews

В США во вторник успешно завершились испытания собственного экспериментального суперсамолета NASA Х-43А. Эта беспилотная модель длиной в 3,7 метра, оснащенная работающим на водородном топливе гиперзвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателем (ГПВРД), в ходе испытательного полета развила скорость примерно в 11200 километров в час, то есть летела почти в 10 раз быстрее звука.

Как говорится в официальном сообщении космического агентства NASA, Х-43А был выведен на трассу полета ракетой Pegasus, которая стартовала из-под крыла бомбардировщика В-52 над Тихим океаном. Сам бомбардировщик вылетел с авиабазы ВВС США Эдвардс в штате Калифорния. После отделения Х-43А от ракеты включился его ГПВРД и, проработав примерно 10 секунд, разогнал аппарат до рекордной скорости. Полет проходил на высоте примерно 33 тысяч метров. После отключения двигателя Х-43А упал в Тихий океан в нескольких сотнях километров от калифорнийского побережья в пределах полигона ВМС США. Сейчас ведется обработка всей собранной информации.

— Борьба за скорость

Уникальность Х-43А заключается в его двигателе. Двигатели типа ГПВРД работают на водородном топливе, используя при этом кислород, поступающий в двигатель «самотеком» за счет большой скорости движения. Это позволяет им разгонять машину до столь высокой скорости. Специалисты надеются, что эта технология когда-нибудь позволит радикально сократить длительность пассажирских перелетов и существенно удешевит запуск космических аппаратов.

Система действует на сжигании топлива в потоке воздуха, сжимающегося за счет высокой линейной скорости аппарата, в отличие от обычного реактивного двигателя, в котором воздух сжимают лопатки турбины.

Однако ГПВРД начинает работать только при шести скоростях звука, а это значит, что до этого его нужно как следует разогнать. В случае с X-43A эту роль выполняет модифицированная ракета Pegasus, которая была выпущена из-под крыла стратегического бомбардировщика B-52.

Целью испытания самолета, который представляет собой нечто среднее между космическим аппаратом и самолетом, является поиск альтернативных моделей для запуска полезных грузов на низкую орбиту, говорится в сообщении, передает РИА «Новости».

«Так как этому аппарату не требуется собственное топливо для старта с земли, количество полезного груза, который он может выводить на орбиту, значительно увеличится по сравнению с обычной ракетой-носителем», — сообщил ранее представитель NASA по проекту самолета Х-43А Майкл Бракус.

Как заявил директор NASA Шон О’Киф, состоявшийся полет является важным шагом в создании более надежных и дешевых ракет-носителей для вывода в космос полезных грузов. Испытание, по его мнению, имеет большое значение и для коммерческой авиации.

Общая стоимость программы по разработке Х-43А составляет 250 млн долларов. Это было третье и последнее испытание аппаратов Х-43А. Работа над созданием двигателя для этого летательного аппарата началась в 1996 году, а в июне 2001 года в США прошли первые испытания самолета, которые завершились неудачно. Причиной этому, по данным NASA, стал сбой в системе управления ракетой, которая выводила аппарат на орбиту.

Никаких четких планов относительно дальнейшей судьбы этой программы пока нет.

Конвертер величин

Подробнее о скорости

Художественное изображение летящей пули

Общие сведения

Поезд в движении. Железнодорожный вокзал в Симферополе, Крым, Россия.

Скорость — мера измерения пройденного расстояния за определенное время. Скорость может быть скалярной величиной и векторной — при этом учитывается направление движения. Скорость движения по прямой линии называется линейной, а по окружности — угловой.

Измерение скорости

Среднюю скорость v находят, поделив общее пройденное расстояние ∆x на общее время ∆t: v = ∆x/∆t.

В системе СИ скорость измеряют в метрах в секунду. Широко используются также километры в час в метрической системе и мили в час в США и Великобритании. Когда кроме величины указано и направление, например 10 метров в секунду на север, то речь идет о векторной скорости.

Скорость движущихся с ускорением тел можно найти с помощью формул:

  • Тело, движущееся с постоянным ускорением a, с начальной скоростью u в течении периода ∆t, имеет конечную скорость v = u + a×∆t.
  • Тело, движущееся с постоянным ускорением a, с начальной скоростью u и конечной скоростью v, имеет среднюю скорость ∆v = (u + v)/2.

Средние скорости

Скорость света и звука

Согласно теории относительности, скорость света в вакууме — самая большая скорость, с которой может передвигаться энергия и информация. Она обозначается константой c и равна c = 299 792 458 метров в секунду. Материя не может двигаться со скоростью света, потому что для этого понадобится бесконечное количество энергии, что невозможно.

Скорость звука обычно измеряется в упругой среде, и равна 343,2 метра в секунду в сухом воздухе при температуре 20 °C. Скорость звука самая низкая в газах, а самая высокая — в твердых телах. Она зависит от плотности, упругости, и модуля сдвига вещества (который показывает степень деформации вещества при сдвиговой нагрузке). Число Маха M — это отношение скорости тела в среде жидкости или газа к скорости звука в этой среде. Его можно вычислить по формуле:

Боинг 777-236/ER G-VIIN авиакомпании British Airways (Британские Авиалинии), заходящий на посадку в аэропорту Торонто имени Лестера Б. Пирсона (Канада)

M = v/a,

где a — это скорость звука в среде, а v — скорость тела. Число Маха обычно используется в определении скоростей, близких к скорости звука, например скоростей самолетов. Эта величина непостоянна; она зависит от состояния среды, которое, в свою очередь, зависит от давления и температуры. Сверхзвуковая скорость — скорость, превышающая 1 Мах.

Скорость транспортных средств

Ниже приведены некоторые скорости транспортных средств.

  • Пассажирские самолеты с турбовентиляторными двигателями: крейсерская скорость пассажирских самолетов — от 244 до 257 метров в секунду, что соответствует 878–926 километрам в час или M = 0,83–0,87.
  • Высокоскоростные поезда (как «Синкансэн» в Японии): такие поезда достигают максимальных скоростей от 36 до 122 метров в секунду, то есть от 130 до 440 километров в час.

Скорость животных

Максимальная скорость, с которой может бежать кошка — 13 метров в секунду или 47 километров в час.

Максимальные скорости некоторых животных примерно равны:

  • Ястреб: 89 метров в секунду, 320 километров в час (скорость высокоскоростного поезда)
  • Гепард: 31 метр в секунду, 112 километров в час (скорость более медленных высокоскоростных поездов)
  • Антилопа: 27 метров в секунду, 97 километров в час
  • Лев: 22 метра в секунду, 79 километров в час
  • Газель: 22 метра в секунду, 79 километров в час
  • Гну: 22 метра в секунду, 79 километров в час
  • Лошадь: 21 метр в секунду, 75 километров в час
  • Охотничья собака: 20 метров в секунду, 72 километра в час
  • Лось: 20 метров в секунду, 72 километра в час
  • Оздоровительный бег в Лондоне. Человек может достичь скорости до 30 км/ч.

  • Койот: 19 метров в секунду, 68 километров в час
  • Лиса: 19 метров в секунду, 68 километров в час
  • Гиена: 18 метров в секунду, 64 километра в час
  • Заяц: 16 метров в секунду, 56 километров в час
  • Кошка: 13 метров в секунду, 47 километров в час
  • Медведь гризли: 13 метров в секунду, 47 километров в час
  • Белка: 5 метров в секунду, 18 километров в час
  • Свинья: 5 метров в секунду, 18 километров в час
  • Курица: 4 метра в секунду, 14 километров в час
  • Мышь: 3,6 метра в секунду, 13 километров в час

Скорость человека

  • Люди ходят со скоростью примерно 1,4 метра в секунду или 5 километров в час, и бегают со скоростью примерно до 8,3 метра в секунду, или до 30 километров в час.

Примеры разных скоростей

Четырехмерная скорость

В классической механике векторная скорость измеряется в трехмерном пространстве. Согласно специальной теории относительности, пространство — четырехмерное, и в измерении скорости также учитывается четвертое измерение — пространство-время. Такая скорость называется четырехмерной скоростью. Ее направление может изменяться, но величина постоянна и равна c, то есть скорости света. Четырехмерная скорость определяется как

U = ∂x/∂τ,

где x представляет мировую линию — кривую в пространстве-времени, по которой движется тело, а τ — «собственное время», равное интервалу вдоль мировой линии.

Лунный скафандр в экспозиции Космического центра имени Кеннеди

Групповая скорость

Виндсерфинг. Майами Бич.

Групповая скорость — это скорость распространения волн, описывающая скорость распространения группы волн и определяющая скорость переноса энергии волн. Ее можно вычислить как ∂ω/∂k, где k — волновое число, а ω — угловая частота. K измеряют в радианах/метр, а скалярную частоту колебания волн ω — в радианах в секунду.

Гиперзвуковая скорость

Гиперзвуковая скорость — это скорость, превышающая 3000 метров в секунду, то есть во много раз выше скорости звука. Твердые тела, движущиеся с такой скоростью, приобретают свойства жидкостей, так как благодаря инерции, нагрузки в этом состоянии сильнее, чем силы, удерживающие вместе молекулы вещества во время столкновения с другими телами. При сверхвысоких гиперзвуковых скоростях два столкнувшихся твердых тела превращаются в газ. В космосе тела движутся именно с такой скоростью, и инженеры, проектирующие космические корабли, орбитальные станции и скафандры, должны учитывать возможность столкновения станции или космонавта с космическим мусором и другими объектами при работе в открытом космосе. При таком столкновении страдает обшивка космического корабля и скафандр. Разработчики оборудования проводят эксперименты столкновений на гиперзвуковой скорости в специальных лабораториях, чтобы определить, насколько сильные столкновения выдерживают скафандры, а также обшивка и другие части космического корабля, например топливные баки и солнечные батареи, проверяя их на прочность. Для этого скафандры и обшивку подвергают воздействию ударов разными предметами из специальной установки со сверхзвуковыми скоростями, превышающими 7500 метров в секунду.

Литература

Изучаем технический английский с нашим видео о скорости на английском языке!

Boeing 777-9X

Перспективный американский пассажирский самолет Boeing 777-9X, крупнейший в мире двухдвигательный лайнер, 25 января 2020 года совершил первый полет. Согласно сообщению концерна Boeing, продолжительность первого полета самолета, признанного полностью успешным, составила 3 часа 51 минуту. Летные испытания лайнера начались на аэродроме в Сиэтле в Вашингтоне; их переносили три раза из-за неблагоприятных погодных условий.

Летные испытания позволяют проверить все характеристики нового летательного аппарата и сопоставить их с параметрами, рассчитанными конструкторами. Во время летных испытаний специалисты обычно проверяют авиационную технику не только в нормальных условиях, но и на некоторых критических режимах полета. Первый полет является одним из важнейших этапов в программе разработки любого летательного аппарата. Он позволяет проверить правильность конструкторских решений, работу бортовых систем, двигателей, управляемость и аэродинамические качества летательного аппарата.

Первый летный образец Boeing 777-9X получил заводской номер «WH001». Первый полет лайнера большую часть времени проходил на высоте 4,6 тысячи метров. В воздухе летчики-испытатели проверили работу двигателей, систем управления и бортовых электронных систем, а также управляемость и устойчивость лайнера. Посадка самолета производилась в условиях порывистого ветра и с пониженной из-за тумана видимостью. После посадки во время рулежки по аэродрому летчики также проверили систему складывания законцовок крыла. Последняя позволяет уменьшить размах крыла 777-9X.

В ближайшее время специалисты Boeing намерены продолжить летные испытания перспективного лайнера, разработка которого велась с 2013 года. Предполагается, что программа летных испытаний и сертификация лайнера займут около года — в 2021 году американский авиастроительный концерн планирует начать поставки Boeing 777X заказчикам. К настоящему времени заявки на новые лайнеры составили авиакомпании ANA, British Airways, Cathay Pacific Airways, Emirates, Etihad Airways, Lufthansa и несколько других.

Boeing 777X будет представлен семейством, в состав которого войдут три лайнера разных размерностей: B777-8X, B777-9X и B777-9XL. Длина лайнера в зависимости от версии составит 69,8 или 76,7 метра, а размах крыла — 71,8 метра. Размах крыла B777X со сложенными закрылками составит 64,8 метра. Благодаря такой функции лайнер сможет безопасно перемещаться по аэродрому и поместиться в стандартном авиационном ангаре. Перспективный лайнер стал первым в мире пассажирским самолетом со складным крылом.

Максимальная взлетная масса B777X составит 351,5 тонны. Самолет сможет выполнять полеты на расстояние до 16,1 тысячи километров и, в зависимости от версии и компоновки, будет перевозить от 349 до 414 пассажиров. По оценке Boeing, новый самолет будет потреблять на 10 процентов меньше топлива, чем сопоставимые уже существующие лайнеры. Кроме того, операционные расходы на лайнер также будут на 10 процентов ниже. Это будет возможно благодаря новым аэродинамическим решениям, использованным в конструкции планера, и новым турбовентиляторным двигателям GE9X.

GE9X является крупнейшим в мире авиационным двигателем. Его разработка ведется с 2012 года специально для лайнера Boeing 777X. Диаметр вентилятора этой силовой установки составляет 3,4 метра, а диаметр его воздухозаборника — 4,5 метра. Для сравнения, диаметр GE9X всего на 20 сантиметров меньше диаметра фюзеляжа лайнера Boeing 767 и на 76 сантиметров больше диаметра фюзеляжа лайнера Boeing 737. Новая силовая установка может развивать тягу до 470 килоньютонов. GE9X имеет крайне высокую степень двухконтурности — 10:1. Первый полет Boeing 777-9X проходил с двигателями GE9X.

Василий Сычёв