С приставкой «гипер»

Технологии доставки боевых частей к цели со скоростями, превышающими скорость звука в пять раз и более. В далеком будущем они позволят совершить невозможное (пока): в течение пары минут уничтожить командный центр целого государства на другом континенте.

Самый впечатляющий на сегодня мастер-класс по гиперзвуку дал в 2011 году американский беспилотный летательный аппарат Falcon HTV-2: он разогнался до безумных 23 тыс. км/ч, находясь в верхних слоях атмосферы. Это стало одним из этапов масштабной инициативы «Глобального молниеносного удара» (Prompt Global Strike): в рамках ее Пентагон предполагает создать неядерную высокоточную «дубинку», способную в течение часа поразить любую точку земного шара. По амбициозности и технологической сложности эта программа может вполне соперничать с американским «Проектом Манхэттен», который в 1940-е годы стал родоначальником атомного оружия.

В русле этой же концепции идут конструкторы планирующей гиперзвуковой бомбы AHW (Advanced Hypersonic Weapon), дважды испытанной (на Гавайях и на Аляске) в 2011 и 2014 годах. Летает эта адская штучка чуть медленно – всего около 8 Махов (1 Мах – это скорость звука в воздухе, равняется 1224 км/ч. – Ред.) и способна поразить цель с точностью до 10 м. Планируется оснащать такими боеголовками межконтинентальные баллистические ракеты, которые за счет своей скорости и непредсказуемой траектории полета способны прошивать системы противоракетной обороны. X-51 Waverider («Волнолет») принципиально отличается от всего разработанного американцами раньше – это крылатая ракета воздушного старта, оснащенная гиперзвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателем. Прошло несколько испытаний с различной степенью успешности, во время которых ракету подвешивали к стратегическому B-52, поднимали на 15 км и сбрасывали. В ход вступал ускоритель, который поднимал X-51 на 21 км и разгонял до шести скоростей звука – это главное условие запуска гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя. «Пробы пера» (часто неудачные) в области полетов с приставкой «гипер» в начале ХХI века показали невозможность прорыва только с помощью технологических инноваций – нужны революционные достижения.

Строго говоря, все космические аппараты являются гиперзвуковыми, ведь для достижения первой космической скорости необходимо разогнаться до 28 Махов. Первыми к таким возможностям прикоснулись немцы, реализовав на практике «вундерваффе» Фау-2, способную на конечной траектории суборбитального полета развить более 6 тыс. км/ч. Эта разработка гитлеровского инженера Вернера фон Брауна стала фундаментом, на котором американцы после войны вырастили проект X-15. Один из трех ракетопланов отважился на невозможное для 1963 года: поднялся с пилотом выше линии Кармака, официальной границы атмосферы и космоса (100 км). При этом аппарат Х-15 развил вполне «гипер» 7274 км/ч и благополучно вернулся на землю. Так прообраз «Буранов» и «Шатлов» дал о себе знать мировым рекордом высоты, продержавшимся до 2004 года.

Гиперзвуковая тема на протяжении десятилетий остается крепким орешком для инженеров, во многом из-за сложности моделирования условий полета на земле. Первые аэродинамические трубы, позволяющие разгонять воздух до 8–12 скоростей звука, появились недавно, а ведь без них невозможно испытывать гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель. Его предшественника – прямоточный двигатель – запатентовал еще в 1913 году француз Рене Лорен. Конструкция того и другого очень проста и состоит из диффузора, камеры сгорания и реактивного сопла. Набегающий на сверхзвуковых скоростях поток воздуха тормозится в диффузоре, сжимается и нагревается, что делает ненужным традиционные лопатки компрессорной установки. В камере сгорания воздух движется уже с дозвуковыми скоростями – это позволяет топливу успешно сгорать, создавая недюжинную реактивную тягу. Отсутствие подвижных частей в двигателе резко увеличивает надежность и температурный предел сгорания топлива – его можно увеличивать до пределов термостойкости сопла. Знаменитый разведчик SR-71 «Черный дрозд», до сих пор держащий рекорд скорости в 3529 км/ч, сделал это за счет прямоточного контура реактивного Pratt & Whitney J58-P4 и специального топлива JP-7. Но на большее эта машина была не способна, так как для гиперзвукового рывка на 5 Махов и более необходимо горение топлива при сверхзвуковых скоростях. А это уже трудности совсем другого порядка, и они до сих пор полноценно не решены даже на экспериментальных образцах гиперзвуковых прямоточных воздушно-реактивных двигателей. К слову, «гиперзвуковик» SJX61-2, устанавливаемый на экспериментальную крылатую ракету X-51 Waverider, на полной тяге пропускает через себя воздух менее чем за 1/1000 долю секунды. А температура этого воздуха на входе в двигатель достигает 1400 °С. В случае создания топлива, способного гореть в таких условиях, гиперзвуковые двигатели могут обходиться вообще без камер сгорания, с горением во внешнем потоке. Однако при всех неоспоримых плюсах такие реактивные двигатели совершенно не способны работать при низких скоростях полета и на земле – им необходимы сверхзвуковые режимы полета, которые обеспечивают другие двигатели или ускорители. Еще одной фундаментальной проблемой становится среда, в которой движется гиперзвуковой летательный аппарат. Инженеры сравнивают его с движением в наждачной бумаге, обильно сдобренным специфическими вязкими ударными волнами, способными разрушить конструкцию ракеты. Облако плазмы вокруг объекта, летящего в режиме «гиперзвука», мешает работе бортовых локаторов, систем связи и самонаведения.

Очевидно, отечественные конструкторы находятся на пути решения основных проблем гиперзвука: в 2016 году они намекнули, что в ближайшее время на вооружение Российской армии поступят крылатые ракеты 3М22 «Циркон» – последние аргументы в споре с авианесущими силами вероятного противника. «Циркон» может предложить ему скорость, в пять-шесть раз превышающую звуковую, и дальность поражения в 300–400 км. Во многом это обеспечивается высокоэнергетическим топливом «Децилин – М» (разработка специалистов 25 Государственного научно-исследовательского института химмотологии), состав и технология производства которого является государственной тайной. Военные утверждают, что летные испытания «Циркона» идут полным ходом, абсолютно засекречены, но к 2022 году «убийцы авианосцев» станут в строй на модернизированном крейсере «Петр Великий» и перспективных подводных атомоходах проекта «Хаски». Наработки и технологии отечественного гиперзвукового оружия могут стать основой для сверхскоростной модификации ракеты «БраМос», совместной российско-индийской разработки. Остается только гадать, какие материалы и технологии применяют российские инженеры в «Цирконе», но очевидно, что базируются они на наработках советской программы «Холод». Она стартовала в 1979 году и подразумевала разработку гиперзвуковых прямоточных реактивных двигателей для отечественного оружия. Фактически в качестве лаборатории использовали всемирно известную зенитную ракету С-200В, на которую монтировали экспериментальное оборудование и испытывали криогенное топливо (понятно, почему «Холод»?) на основе жидкого водорода и сжиженного природного газа. Первый пуск состоялся на полигоне Сары-Шаган в Казахстане, у озера Балхаш, 28 ноября 1991 года. Затем последовало еще четыре пуска, в ходе которых максимальное время работы гиперзвукового «движка» составило 77 секунд с возможностью перезапуска в полете. Кажется, что это мало? Но именно столько С-200 летит к своей цели до израсходования топлива, и чаще всего этих секунд хватает с избытком. На испытаниях в казахстанской степи удалось достичь скорости более 6,5 Махов – для конца XX века незаурядное достижение.

Если все вышесказанное вам кажется научной фантастикой, то инициатива компании Skunk Works совсем уж ни в какие рамки здравого смысла не входит. Идея заключается в реинкарнации почившего в бозе «Черного дрозда» в виде пилотируемого гиперзвукового разведчика SR-72. И если в 1990 году «Дрозд» летел из Лос-Анджелеса в Вашингтон чуть более часа, то его преемник сделает это за 30 минут примерно в 2020-х годах. Рассматривается возможность установки на SR-72 высокоточных ракет, лишенных маршевых двигателей – они просто не нужны при скорости запуска с самолета в 6 Махов. Казалось, что в космическую эру орбитальные спутники-шпионы полностью изжили крылатых разведчиков, но на Земле есть мобильные объекты (к примеру, «Тополь-М»), которые перемещаются между орбитами космических наблюдателей, не обнаруживая себя. Именно на такие цели и рассчитан будущий гиперзвуковой разведчик. По расчетам, если с подобного самолета на максимальном ходу просто сбросить шестиметровый вольфрамовый стержень диаметром 30 см, на земле он взорвется 12 тоннами тротила. Американцы считают, что сверхскоростные способности SR-72 позволят ему беспрепятственно проникать в суверенное воздушное пространство потенциальных противников. Его будут видеть на экранах локаторов, но сделать ничего не смогут – самолет с набором скорости уйдет от ракеты в ближний космос. Вероятный противник в лице АО Концерн ВКО «Алмаз-Антей» в ответ на такие слухи готовит к серии систему С-500 «Прометей», способную сбивать объекты, летящие с первой космической скоростью на низких орбитах. Вечное противостояние снаряда и брони в планетарном масштабе.

Перевести гиперзвуковую гонку на мирные рельсы пытаются европейцы, работая над проектом LAPCAT II по созданию пассажирских лайнеров, способных перелететь из Брюсселя в Сидней за два-четыре часа. Для сравнения, Concorde преодолевал это расстояние за 17 часов, а современный Boeing 747 летит невыносимые 22 часа. В Европе предполагают сделать сразу два типа «гиперсоников» – помедленнее (до 5 Махов) и побыстрее (до 8 Махов). В первом случае предполагается оснастить лайнер LAPCAT A2 гибридным воздушно-реактивным двигателем с предварительным охлаждением Scimitar. Воздух в таком двигателе перед камерой сгорания охлаждается до криогенных температур посредством жидкого гелия и, смешавшись с водородом, сгорает. Во втором случае для достижения восьми скоростей звука придется устанавливать двухконтурный реактивный двигатель с гиперзвуковой камерой сгорания. Но чем дальше продвигается проект, тем больше возникает вопросов к его возможной реализации. Прежде всего, из-за значительного запаса жидкого водорода возникают исполинские размеры самолета – около 130 м, что в два раза длиннее А380. Такой монстр при переходе на сверхзвуковой режим полета огорошит наземных обитателей звуковым ударом в 160 дБ, чего вполне достаточно для потери слуха. Поэтому летать придется либо очень высоко, либо над малонаселенными районами планеты, а это уже экономически невыгодно. В денежный вопрос упирается и дороговизна получения жидкого водорода – при современных методах его синтеза полет пассажира от Брюсселя до Сиднея будет стоить около €5000. И наконец, проблема температурного режима на скоростях под 5 М заставляет конструкторов уходить от традиционных авиационных материалов, обращаясь чуть ли не к керамическим покрытиям.

С учетом всего этого эксперты дают для реализации гиперскоростей в гражданском флоте не менее 20 лет, а преодоление рубежа в 8 Махов на пассажирском лайнере вообще может отодвинуться к середине столетия. Как ни крути, а первыми в гиперзвуковой гонке неизбежно станут военные, и последствия этой победы могут быть непредсказуемыми.