Тенденция в проектировании летательных аппаратов (ЛА) была направлена на увеличение скорости и дальности, инженеры и конструкторы постоянно расширяли границы современных технологий и знаний об аэродинамике полетов на гиперзвуковых скоростях.
Речь пойдет о гиперзвуковых летательных аппаратах (ГЛА), в разработке и создании которых, по мнению елбасы, Россия «впереди планеты всей» и не имеет себе равных в мире:

Если посчитать, сколько стоила у них, скажем, система противоракетной обороны известной, и один из основных компонентов преодоления ПРО с нашей стороны — «Авангард», межконтинентальная ракета, планирующий блок межконтинентальной дальности, — ну просто несопоставимые величины. И мы, по сути, обнулили все, что они делали, все, что они вкладывали в эту систему ПРО... (март 2024)

Меня терзают смутные сомнения, как удалось создать в условиях технологически отсталого ВПК столь высокотехнологичное чудо‑оружие — когда «от Москвы до самых до окраин» стагнация экономики и деградация российской науки — ни производственно‑технической базы, ни новейших технологий и материалов, нехватка квалифицированных кадров. На одной «движухе» с её бурлящими «мега‑проектами» и «мега‑вызовами» далеко не уедешь.
В такой ситуации даже излюбленный метод елбасы «цап‑царап» не работает: украсть идею можно, но как ее реализовать на пустом месте? Как, как, да, например, вот так:

Одна из таких систем была создана очень молодой командой. Когда я с ними встретился — мы и госпремию им дали, — пришли молодые совсем люди. Я их спрашиваю: а вы откуда взялись? Они говорят: как гранты только начали платить, мы всей группой из вуза пришли, создали коллектив. И в течение семи лет они создали эту мощнейшую, самую современную в мире ударную систему боевую.

О как! Браво! Получается, что наука, ученые, инженеры, конструкторы, новейшие технологии и материалы вовсе не нужны — берешь группу студентов и они ваяют тебе «прорывную систему» за гранты, на коленке.
Заявления про «студентов за гранты» в такой сверхсложной области, как гиперзвуковая аэродинамика — это классическая популистская риторика, рассчитанная на тех, кто не понимает, как всё это устроено и как всё это работает.
Это не написание кода для мобильного приложения, где талантливый самоучка может выдать приличный продукт. В аэродинамике больших скоростей знания накапливаются годами путем исследований и стендовых испытаний. Здесь нужны уникальные стенды с аэродинамическими трубами, экспериментальные данные и математические модели, наработанные годами исследований, и понимание того, как ведут себя различные материалы в экстремальных условиях.
Студент с грантом не может построить в гараже стенд для имитации полета со скоростью полёта в 20 Махов. Это государственные масштабы. Кстати, Китай активно строит свои стенды с самыми мощными в мире аэродинамическими трубами и проводит реальные тесты гиперзвуковых ЛА, но до «движухи» со «студентами за гранты» не додумался. Это наше know how.

В условиях, когда научный бюджет «съедается» текущими военными расходами, чиновникам проще слепить картинку успеха (через те же мультики или отчеты с результатами «молодых гениев»), чем признать, что для фундаментальных исследований нет материалов, нет оборудования и приборов, что такие исследования требуют немалого времени и стоят миллиарды — это годы напряженной кропотливой работы.

Хочу отметить, что удалось обеспечить эффективное и оперативное контрразведывательное прикрытие этих масштабных проектов

А вот это чистая правда, только это не «прикрытие», а нечто другое, с этим реальная беда из‑за ареста и посадок многих ученых, занимавшихся исследованиями в области аэродинамики гиперзвуковых скоростей. Об этом в конце.

В то время как США и Китай инвестируют миллиарды в научно‑исследовательскую базу, Россия фактически «проедает» советский научный задел и одновременно зачищаяет тех, кто этот задел создавал.

В общем, уровень необъективности и «секретности» в теме зашкаливает, так что я решил поделиться с вами своим мнением о гиперзвуковых ЛА, основываясь на собственном опыте и на несекретной информации, взятой из открытых источников о теории и практике гиперзвукового полета и конструировании ГЛА.

Отмечу, что в случае с такими аппаратами как «Авангард» или Falcon HTV-2, речь идет о планирующем блоке, то есть о glider«e, летательном аппарате, который планирует с начальной высоты за счет громадной скорости и стартовой кинетической энергии и использует свою аэродинамическую форму для увеличения дальности полёта, но у него нет маршевого двигателя. Это планер. »

Вводная часть

Для начала минимально необходимые сведения из аэродинамики. При сверхзвуковом (гиперзвуковом) обтекании возникают ударные волны, нормальная ударная волна — это просто частный случай из общего семейства косых скачков уплотнения, а именно случай, когда угол волны beta относительно скорости набегающего потока равен 90^◦.

Соотношения между параметрами воздушного потока до и после косого скачка следующие:

Из этих соотношений следует, что в калорически совершенном газе свойства косой ударной волны зависят только от нормальной составляющей входного числа Маха M и показателя адиабаты gamma (для воздуха gamma =1,4, но это при н.у.)

Еще одна иллюстрация физических явлений, связанных с косыми скачками уплотнения. В зависимости от угла раствора theta летящего тела косая волна может отходить.

Всякий раз, когда имеем дело с прикрепленными косыми скачками уплотнения, как на рис.3, знаем, что они почти всегда являются слабым ударным решением.

В 1953, Соединенными Штатами была взорвана первая водородная бомба. Это немедленно стимулировало разработку межконтинентальных баллистических ракет (МБР) большой дальности для их доставки. Эти МБР были разработаны для полетов за пределами земной атмосферы на расстояния 8 000 км и более, но здесь возникала серьезная проблема: при возвращении в атмосферу боеголовки на пути к цели летели на громадных суборбитальных скоростях от 6 000 м/с до 6 700 м/с из‑за чего аэродинамический нагрев боеголовки при проходе атмосферы становился очень большим, что приводило к ее разрушению. Проблема аэродинамического нагрева казалась неразрешимой.

Размышления на эту тему не были оригинальными и всегда сводились к одному — остроконечному тонкому возвращающемуся телу ибо при косом скачке уплотнения потери в полном давлении значительно меньше (см. формулы). Усилия по минимизации аэродинамического нагрева были сосредоточены на поддержании ламинарного течения в пограничном слое на поверхности летательного аппарата. Такой ламинарный поток производит гораздо меньше тепла, чем турбулентный поток. Однако природа предпочитает турбулентное течение, и скоростные летательные аппараты не являются исключением. Поэтому остроносый спускаемый аппарат был обречен на провал и сгорал в атмосфере, не долетая до поверхности Земли, как бы не старались.
В 1951 году Харви Джулиан Аллен из NACA совершил один из тех крупных прорывов, которые очень редко случаются в технике, — он предложил концепцию тупого возвращаемого тела!

Это решило проблему. Это был ошеломляющий вывод будущего руководителя НАСА: 

чтобы свести к минимуму аэродинамический нагрев, на самом деле нужен тупой, а не острый нос, хотя при прямой отошедшей волне значительно большая температура торможения! 

Результат был настолько важным, что его засекретили правительственным документом. Более того, из‑за того, что это было так чуждо научной интуиции, со времени успеха Фау-2, концепция затупленного возвращающегося тела не была сразу принята научно‑техническим сообществом, а лишь только после многих натурных испытаний. Начиная с ранних работ Харви Аллена, все успешные возвращаемые тела, от первой межконтинентальной баллистической ракеты «Атлас» до пилотируемой лунной капсулы «Аполлон», были «тупыми» (с закругленной носовой кромкой).

Для оценки доминирующего аспекта гиперзвукового течения — высоких температур в ударном слое и большом аэродинамическом нагреве ЛА — рассмотрим тупое тело, входящее в атмосферу на скорости, например, 36 Махов, как показано на рис. 8.

Оценим температуру в ударном слое сразу за нормальной частью головной ударной волны по известной из газовой динамики формуле:

При таком большом числе Маха (M_∞ = 36) правая часть в формуле для температуры торможения T₀ в прямой ударной волне равна 252,9. Согласно справочнику для стандартной атмосферы на высоте полета, к примеру 59 км, имеем T_∞ = 258К. Отсюда получаем, что температура торможения T₀ = 252,9 х 258 = 65 248К — невероятно высокое значение, температура в 12 раз горячее поверхности Солнца! На самом деле это неверное значение, поскольку формула (рис.9) верна лишь для калорически совершенного газа с gamma = 1.4 и для таких температур не соответствует действительности. Почему? По одной простой причине — при таких высоких температурах начинаются химические реакции и показатель адиабаты gamma уже не будет равняться 1,4 (он уменьшается) и он не будет постоянным.

Если провести правильный расчет T₀ с учетом химически реагирующего газа, то мы получим, что T₀ ≈ 11 000 К — это значительно меньше чем для калорически совершенного газа, но всё равно — это очень высокая температура для продолжительного полёта!
Становится очевидным, что в гиперзвуковом потоке очень важны высокотемпературные эффекты и проблемы теплозащиты ГЛА.
Воздух при p = 1 атм и T = 288К (уровень моря) по химическому составу упрощенно состоит из 20 процентов молекул кислорода и 80 процентов молекул азота по объему. Температура 288К — слишком низкая для того, чтобы могла произойти какая‑либо значимая химическая реакция. В этом случае показатель адиабаты = 1.4. Но если мы увеличим Т до 2 000К, то увидим, что молекулы кислорода начинают диссоциировать:

Если температуру повысить до 4 000 К, то большая часть молекул кислорода уже диссоциировала и начинается диссоциация молекул азота:

Если температуру повысить еще выше, до 9 000 К, то большая часть молекул азота и кислорода уже диссоциирована и начинается ионизация воздуха:

Следовательно, возвращаясь к рис. 8, ударный слой вокруг носовой части тела и далее по течению представляет собой частично ионизованную плазму, состоящую из атомов N и O, ионов N⁺ и O⁺ и электронов e⁻. Что это значит?

Это значит, что присутствие свободных электронов в ударном слое вокруг аппарата приведет к «отключению связи» с аппаратом, возникающее при спуске ЛА при его проходе через атмосферу — плазма является хорошим электромагнитным экраном для электромагнитных волн!

В таком случае, как же быть вот с этим изречением елбасы:

Он идет к цели как метеорит, как горящий шар, как огненный шар. Температура на поверхности изделия достигает 1600–2000 градусов по Цельсию. Крылатый блок при этом надежно управляется

Теряюсь в догадках... Хотя есть, конечно, познания на этот счёт, но об этом позже.
Феномен обрыва связи при входе в атмосферу известен со времени проекта «Меркурий», а затем программ «Джемини» и «Аполлон» и на советских спускаемых аппаратах. Он проявляется на высоте снижения от 90 км до 40 км — как результат быстрого нагрева наружной поверхности падающей в атмосфере капсулы и образования вокруг неё слоя плазмы (ЭМ‑экрана).

Когда ударный слой достигает температуры порядка 11 000 К тепловое излучение становится существенной частью общей теплопередачи к поверхности тела и от неё. Обозначая радиационный нагрев через q_r, можно выразить полный аэродинамический нагрев q как сумму конвективного и радиационного нагрева: q = q_c + q_r. При спуске «Аполлона» в атмосфере q_r/q ≈ 0.3, то есть, радиационный нагрев становился важным фактором при разработке теплового экрана «Аполлона». Для входа космического зонда в атмосферу Юпитера скорости летательного аппарата и температуры ударного слоя настолько велики, что конвективный нагрев спускаемого аппарата q_c становился пренебрежимо мал — q ≈ q_r. Для такого ЛА радиационный нагрев становится доминирующим фактором в его конструкции.

В пределе больших чисел Маха получаем приближенные и упрощенные формулы вышеприведенных ударных соотношений. Это гиперзвуковые соотношения для косого скачка уплотнения:

В аэродинамике распределение давления обычно выражается через безразмерный коэффициент давления C_p, а не через само давление:

Делаем вывод:

с повышением температуры после скачка прежние предположения о свойствах воздуха теряют актуальность, и правильнее говорить, что аппарат движется через среду, которая создает химически реагирующий пограничный слой. Изменение свойств среды, в том числе показателя адиабаты, плотности и теплопроводности, существенно меняет аэродинамические характеристики и тепловые свойства самого летящего тела.

Начало эпохи гиперзвука

Гиперзвуковой полет летательных аппаратов стал реальностью с 1949 года, когда ракета WAC Corporal, разогнанная на большую высоту с помощью захваченной у немцев ракеты Фау-2, вернулась в атмосферу на скорости более 5 000 миль в час на испытаниях в Уайт‑Сэндс (White Sands) в штате Нью‑Мексико.

Что делал в это время С. Королев? Изучал вместе с другими главными конструкторами по направлениям конструкцию и агрегаты Фау-2, пытаясь понять что это за чудо такое, как это вообще летает и как это чудо прилетает куда надо.
И не вполне понятно почему же тогда постоянные крики про вЯличие и «успехи» и «прорывы», где надо и где не надо?

Как почему, надо понимать, что основой национального самосознания является национальная история. Проще говоря, национальная история является закваской национального духа. Главное, заквасить как следует, а остальное приложится.

Это так, некоторое «лирическое отступление», это дополнение к цитатам елбасы, приведенным несколько выше в статье.

Продолжим.

Старое эмпирическое правило определяет гиперзвуковой поток как поток со скоростью в 5 Махов и выше. Однако в скорости 5 Махов нет ничего волшебного, это весьма условная граница. Она нужна, потому что некоторые физические явления, которые не так важны на небольших сверхзвуковых скоростях, становятся доминирующими на гиперзвуковых скоростях. Взгляните на выше приведенные формулы в гиперзвуковом приближении.

Waverider (волнолёт) проф. Т. Нонвайлера

Можно было бы начать с немцев. Эйген Зенгер был гениальным математиком, и он пришел к идее «рикошетирующего» полета (траектория Зенгера‑Бредта) чисто расчетным путем, опираясь на классическую механику, аэродинамику и закон сохранения энергии. Он рассчитал, что при входе в плотные слои на космической скорости (проект «Antipodal Bomber»), аппарат встретит колоссальное сопротивление, которое создаст подъемную силу. Он рассматривал это как физический «толчок» от упругой среды. Зенгер создал красивую математическую абстракцию. Но современные оценки доказали, что в реале такой «рикошетирующий полет» ведет к быстрому плазменному перегреву и разрушению конструкции. Но идеи отчасти родом оттуда.

Так что начнем с концепции waverider'a (волнолёта, волнового наездника), которая впервые была предложена профессором Теренсом Нонвайлером (T. Nonweiler) из Глазго.

Теренс Нонвайлер в 1950-х годах совершил прорыв, предложив не бороться с ударной волной, а «оседлать» её.

Waverider Нонвайлера — это планирующий блок со специфической аэродинамической формой.
Ударная волна, за счет конструкции, удерживается под «брюхом» аппарата, создавая область высокого давления. Поскольку кромки острые, давление не «утекает» на верхнюю поверхность. Это увеличивает аэродинамическое качество ЛА и создает compression lift — подъёмную силу сжатия, направленную вверх, которая помогает бороться с гравитацией.

В 1959 проф. Т. Нонвайлер предложил простейшую модель waverider'a, сгенерировав волнолет в виде символа Каре, основываясь на двумерном поле потока за плоской наклонной ударной волной при обтекании клина.

Но как оседлать ударную волну?

Как спроектировать аппарат такой формы, чтобы ударная волна прикреплялась по всей его передней кромке и давление не перетекало на верхнюю часть ЛА? Вот его идея.

Если мы хотим получить подъемную силу, то верхняя половина клина совершенно не нужна. Для возникновения подъемной силы используется лишь нижняя часть клина, как это показано на рис. 15.

Вот замысел проф. Т. Нонвейлера. Рассмотрим следующий рис. 16. Вместо верхней части клина — плоскость, параллельная набегающему потоку, и, следовательно, единственной волной в потоке является плоская ударная волна, распространяющаяся под клином, как показано в верхней части рисунка. Для получения приемлемой величины подъемной силы для удержания тяжёлого аппарата в полёте нужна гиперзвуковая скорость и достаточная площадь его смачиваемой поверхности.

Плоская ударная волна как бы вырезается передними кромками ЛА, идущими от острия, и получается натянутой между ними, как показано на рис 16.

Таким образом, если вы создадите летательный аппарат с такой формой и поместите его в набегающий поток с заданным числом M_∞ и с таким углом атаки, что угол отклонения потока нижней поверхности ЛА будет таким же, как у воображаемого клина, тогда природа позаботится о том, чтобы плоскость ударной волны, начиная с острия, прикрепилась по обеим боковым передним кромкам летательного аппарата, как показано на рисунке 16 и выделено цветом. То есть, такой ЛА будет волновым наездником, он «оседлает» свою же ударную волну.

Обратите внимание (cм. рис.17, формулу 7, впрочем, есть предельные приближения выше), что для каждого числа М есть свой угол beta и свой угол theta, они взаимосвязаны через М, а если скорость полета меняется (например, уменьшается из‑за торможения средой), то при неизменном theta (неизменяемая геометрия конструкции) угол beta уже будет другой и это создает трудности в полете из‑за удержания «скачка» под собой — для этого надо управлять углом theta, меняя его (хотя бы путем изменения угла атаки).

Повторюсь, эта compression lift возникает за счет повышения давления под летательным аппаратом за счет собственных ударных волн, возникающих при сверхзвуковом (гиперзвуковом) обтекании тела во время полёта.

Величина силы определяется плотностью среды, квадратом скорости и смачиваемой площадью аппарата. Итак, обозначим проблемы

Что нам нужно для успешного полета ГЛА без маршевого двигателя в условиях громадной температуры на его поверхности аппарата? Как создать такой чудо‑аппарат?

Возникают естественные вопросы, на которые надо ответить:

• Есть ли опыт проектирования waverider'ов и каковы результаты, выводы и рекомендации?

• Хоть кто‑нибудь ранее использовал compression lift или это вещь в себе?

• Какие размеры, масса, формы поверхностей аппарата, чтобы пролететь громадное расстояние без двигателя, но с полезной нагрузкой (800...1 000 кг)?

• Понять, а возможен ли в принципе полёт волнолёта на столь дальние расстояния в 8 000... 25 000км? За счет чего, за счет каких сил? Как удержать аппарат от падения? Какая возможна траектория «несгораемого» полета или их множество?

• Как организовать теплозащиту аппарата? Какие методы защиты и какие материалы потребны?

• Как организовать связь с аппаратом для корректировки наведения на цель в условиях окружения аппарата плазмой, которая является ЭМ‑экраном?

• Какие экономические и финансовые затраты потребны на реализацию этой die Wunderwaffe, стоит ли вообще овчинка выделки?

• Есть ли возможность перехвата waverider'a средствами ПРО и ПВО?

• Авангард — наследие советского ВПК? И вообще — «А есть ли мальчик?»

Да, мировой опыт проектирования есть.

Waverider использует подъемную силу сжатия (compression lift), создаваемую собственными ударными волнами при обтекании его поверхностей. Эта концепция не нова: хорошо известны глиссирующие суда, которые уменьшают сопротивление, «скользя» по собственной носовой волне похожим образом. Но.. С воздушной средой всё сложнее: угол наклона ударных волн постоянно меняется в зависимости от изменяющейся скорости, что меняет величину подъемной силы и затрудняет проектирование аппарата для широкого диапазона скоростей.

Для воображаемого тела, создающего поле гиперзвукового потока, из которого вырезаем профиль «волнового наездника» — можно использовать любую форму обтекаемого тела. Самый простой случай — использовать клин в качестве обтекаемого тела — мы его рассмотрели выше.

Обтекание конуса в объемном сверхзвуковом или гиперзвуковом потоке также можно использовать для создания профиля вейврайдера (рис.19). Поскольку это коническое поле потока является квази‑трехмерным, оно обеспечивает большую гибкость при создании обликов «волновых наездников». Алгоритм действий такой же как для клина (см. рис. 19):

Естественно, можно использовать и другие обтекаемые тела для генерации подходящих скачков уплотнения или их интерференцию для создании волнолета с потребными качествами.

Это еще одна пояснительная иллюстрация (рис.21). Несмотря на кажущуюся примитивность, эта идея была использована при проектировании самолета, успешно летавшего с очень большой скоростью в 3 Маха — речь идёт об американском сверхзвуковом высотном бомбардировщике XB-70 Valkyrie.
В сверхзвуковом самолете XB-70 Valkyrie помимо подъемной силы от обтекания крыла, еще возникала дополнительная подъёмная сила в результате косых скачков уплотнения, создаваемых передним клином, что чуть выше воздухозаборников, которые отражались под крылья от законцовок, опущенных вниз на значительный угол (65 градусов), что создавало compression lift и увеличивало аэродинамическое качество самолёта.

Как видим, инженеры North American Aviation использовали концепцию крыла с законцовками для удержания под крылом «ударной» волны, создавая compression lift. Кроме этого, эти законцовки служили вертикальными стабилизаторами. Самолет XB-70 (показан на рис.22) совершал крейсерский полёт со скоростью 3 Маха на расстояние более 12 000 км на высоте 21 км.

Следует отметить, что крыло самолета ХB-70 было настолько точно рассчитано на проектную скорость в 3 Маха, что более медленный полёт значительно сокращал дальность полёта. В случае отказа двигателя инструкции по эксплуатации фактически предписывали переход самолёта на форсаж. Несмотря на значительное увеличение расхода топлива, поддержание скорости в 3 Маха было гораздо важнее для достижения требуемой дальности полёта из‑за 30% увеличения подъёмной силы, возникающей от собственных ударных волн.
Обращаю внимание: такая чувствительность к скорости полета характерна для waverider'ов — работает зависимость между углами beta и theta (в зависимости от числа М для косого скачка).
XB-70 Valkyrie — это первый и, пожалуй, самый грандиозный пример практического применения compression lift в авиации. Инженеры North American Aviation фактически реализовали идеи Нонвайлера, но применительно к огромному самолету. Вот как эта «магия» работала на «Валькирии»:

• Геометрия «удержания»: Центральный клин под фюзеляжем генерировал мощный скачок уплотнения. Опуская законцовки крыльев на 65 градусов, самолет «запирал» этот скачок под собой. Это повышало давление под крылом на 30%, не увеличивая при этом, что важно, лобовое сопротивление.

• Жесткое ограничение M=3: Эффект работал только в очень узком коридоре скоростей. Если бы «Валькирия» разогналась до М=4 или замедлилась до М=2, скачок уплотнения вышел бы за пределы «ковша», созданного законцовками, подъемная сила резко упала бы, а стабильность полета исчезла бы.

• Статическая устойчивость: Опущенные законцовки также решали проблему смещения центра давления (ЦД). На сверхзвуке ЦД уходит назад, и нос самолета начинает «тяжелеть». Опуская законцовки, инженеры возвращали ЦД вперед, удерживая баланс.

У «Валькирии» были двигатели, чтобы разорвать замкнутый круг (число Маха и углы beta и theta). «Валькирия» имела 6 мощнейших двигателей, которые постоянно поддерживали те самые М=3. У неё был источник энергии, чтобы жестко «сидеть» на своей волне. У современных проектов с ГПВРД в США и Китае тоже есть эта «подпорка», этот «энергетический костыль», маршевый двигатель.
У glider«ов — нет ничего, кроме инерции и системы автоматического управления для удержания и ориентации ЛА в полёте. Но быстроменяющихся параметров слишком много вплоть до критического изменения геометрии аппарата из‑за чрезмерного нагрева, микротрещин и уноса массы.»

Как бы то ни было, «Валькирия» доказала, что даже для столь громадных ЛА компрессионная подъемная сила реальна, но она требует точности системы управления и постоянной тяги.

Всё бы хорошо, если бы не трение и волновое сопротивление. «Барьер L/D»,

Waverider'ы, они же волнолёты, как правило, имеют большие площади смачиваемой поверхности, а сопротивление поверхностного трения, которое всегда добавляется к аэродинамике waverider'a постфактум, имеет тенденцию значительно уменьшать прогнозируемое невязкое отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению. Для сверхзвуковых и гиперзвуковых аппаратов L/D заметно уменьшается с увеличением M, что привело к пессимизму у разработчиков ГЛА, а то и к откровенному скептицизму у исследователей и конструкторов волнолётов, как жизнеспособной гиперзвуковой конфигурации.
Но до поры, до времени. Были проделаны работы по оптимизации для увеличения L/D.
В процессе оптимизации был учтен компромисс между волновым сопротивлением и сопротивлением трения. Такое оптимизированное семейство волнолетов называют гиперзвуковыми волнолетами с оптимизацией вязкости (Viscous Waverider Design, см. мою картинку на рис.20), а последующие расчеты CFD и испытания в аэродинамической трубе доказали их жизнеспособность.

Оптимизированные по вязкости «волновые наездники» (Viscous Waverider Design) преодолевают «барьер L/D» Кухемана, то есть они дают значения (L/D)_max, лежащие выше кривой Кухемана (см график на рис.24). Для Viscous Waverider Design изменение L/D определяется так:

И графиком сравнения различных L/D

С учетом реальных физических явлений, характерных при обтекании гиперзвуковым потоком, оптимизированный по вязкости ГЛА является жизнеспособной конфигурацией для современного проектирования гиперзвуковых ЛА.

Как ни оптимизируй вязкость — было L/D = 4, а стало L/D = 6 — это всё тот же «летящий кирпич» по меркам гражданской авиации. В гражданской авиации волнолетам с таким аэродинамическим качеством делать нечего. Пассажирский лайнер с эффективностью «кирпича» (L/D = 4...6) экономически «проф‑непригоден», да и чисто технически не годится для гражданских перевозок. У него почти нулевой полезный объем.
Чтобы волнолет эффективно «запирал» под собой воздушную подушку, он обязан быть хирургически плоским, широким и тонким. Но в плоский «блин» невозможно посадить пассажиров рядами или загрузить габаритный карго‑контейнер. Мы получаем огромный по площади планер, внутри которого полезного пространства — как в багажнике внедорожника.

И что? «Кирпич» говорите? У него низкое аэродинамическое качество и он не годится для созидательных целей? Зато какая скорость! Годится для разрушительных целей. Для тоталитарного лидера такой «кирпич» — это то, что доктор прописал. Задача лишь в том, как им воспользоваться с целью проучить клиента и «замочить прямо в сортире».

Волнолет обречен носить погоны — это сугубо военная технология.

Его задача — пролететь один раз в жизни 20... 30 минут и доставить термоядерную боеголовку через зону ПРО туда «куда надо». Для оружия прорыва аэродинамическое качество равное 6‑ти — это более чем пригодный показатель, позволяющий не то, чтобы долететь до цели, но и совершить глубокие противоракетные зигзаги на тысячи километров влево‑вправо от траектории начального спуска. Это ему вообще ничего не стоит из‑за громадного запаса кинетической энергии.

Для мирового «дракона», волнолет — это идеальный одноразовый инструмент прорыва. Ему не нужно возвращаться на аэродром, ему не важен комфорт пассажиров. Его задача конвертировать колоссальную кинетическую энергию, полученную от МБР, в управляемый полет на границе космоса, делая саму идею противоракетной обороны практически бессмысленной.

«Мы давно уже убиваем без всяких условий. Новые времена — новые веяния».

Все недостатки волнолетов (малый объем, неэффективность на малых скоростях и проч.) мгновенно превращаются в компромисс, когда речь заходит о стратегическом ядерном оружии (вроде «Авангарда»):

1. Аппарату не нужно взлетать самому — его разгоняет и выбрасывает на нужную высоту, например, на высоту H=70 км, тяжелая ракета‑носитель и она же дает ему начальную скорость в M=20 и более.

2. Ему не нужно экономить топливо — у него нет двигателя, он летит по инерции, а его низкое аэродинамическое качество (к примеру L/D=4.5) отчасти компенсируется центростремительным ускорением.

3. Ему не нужен большой объем — внутри кормы достаточно иметь всего 1,0... 1,5 м³) для компактной термоядерной боеголовки и систем навигации.

Именно поэтому концепция Waverider'a была и навсегда останется сугубо военной технологией.

Парадокс Эггерса, или почему волнолет может лететь на тысячи километров без двигателя

И всё же, может ли ЛА улететь без двигателя на межконтинентальную дальность?
При анализе траектории планирующих гиперзвуковых аппаратов (HGV — Hypersonic Glide Vehicle) часто совершается ошибка уровня школьной физики. Взяв условную высоту входа в плотные слои атмосферы (H = 100 км) и зная оценку среднего гиперзвукового аэродинамического качества волнолета (к примеру, L/D= 4.5), дальность планирования вычисляется как простое линейное соотношение:

После чего возникает закономерный вопрос: откуда берутся официальные заявления о дальности межконтинентальных «бросков» (например, от Оренбурга до Камчатки, а это порядка 6 000 км), если аппарат не имеет маршевой двигательной установки, а его аэродинамическое качество едва превышает параметры кирпича?

Разгадка кроется в том, что при скоростях порядка 20 Махов геометрия спуска (планирования) с высоты полностью подчиняется уравнению планирования (спуска) Эггерса (A. Eggers). С учетом центростремительного ускорения при полете вокруг Земли. Для таких аппаратов в физике процесса спуска ключевую роль играет «центробежная сила» (F = ma, где а — центростремительное ускорение) и кривизна Земли. Мы знаем, что при достижении первой космической скорости тело превращается в спутник Земли, вращаясь вокруг нее (как бы бесконечно падая на Землю при отсутствии торможения).

В отличие от обычного самолета, летящего в плотных слоях, для аппарата на скоростях выше 15...20 Махов центробежная сила берет на себя значительную долю его веса. Требуемая аэродинамическая подъемная сила (Y), которую должно генерировать наветренное днище волнолета, рассчитывается с учетом центробежного эффекта:

Это означает, что на скорости 20 Махов центробежная сила полностью компенсирует 57.4% веса аппарата. Аэродинамическому качеству волнолета нужно удерживать всего 42.6% его реальной массы.
Аппарат, по сути, летит по незамкнутой околоземной орбите, лишь слегка опираясь на воздух.

Интеграл дальности

Полная дальность планирующего скольжения по Эггерсу рассчитывается через логарифмический интеграл потери скорости:

Инженерный вывод для такой траектории — квазиравновесное скольжение

Теоретический энергетический предел дальности при таком аэродинамическом качестве и скорости в 20 Махов составляет почти 27 тысяч километров. Кинетической энергии тяжелого 2-тонного планирующего блока, полученной от баллистической ракеты‑носителя, хватает с избытком даже на виражи.
ГЛА реализует траекторию так называемого квазиравновесного скольжения. По мере неизбежного торможения о воздух центробежная сила падает. Чтобы скомпенсировать её потерю, бортовая система управления плавно и монотонно «опускает» аппарат ниже (в коридоре от 90 до 60 км). Рост плотности атмосферы компенсирует падение скорости, сохраняя подъемную силу Y относительно стабильной.

График профиля полета выглядит НЕ как волнообразные прыжки Зенгера (или как рассказывали по телевизору разнообразные военные спецы и сам гарант), которые привели бы к мгновенному прогару конструкции, а как пологая, практически идеальная прямая линия, «намотанная» вокруг части земного шара. Это и есть правильная траектория полета волнолёта.
Аппарат тратит скорость не на то, чтобы «не упасть», а исключительно на преодоление лобового сопротивления разреженной мезосферы, растягивая свои 6 000 км испытательного полета на Камчатку как легкую прогулку в рамках доступного лимита энергии. Если решены проблемы теплозащиты и управления полетом.

Некоторые замечания.
Волнолет сохраняет устойчивость до тех пор, пока его скорость остается сверхзвуковой, а центровка правильной. Кувыркание ЛА — это признак потери статической устойчивости. Аппараты проектируются так, чтобы фокус сил аэродинамического давления всегда находился позади центра масс (как у стрелы).

Когда скорость падает окончательно (например, до 2–3 Махов на высоте 20–30 км):

• Если это боевой блок: На этой высоте он уже достигает цели, поэтому падение — это и есть его финальная задача (кинетический или боевой удар).

• Если это возвращаемый космический аппарат: На дозвуковой скорости он либо открывает парашют (как капсулы), либо переходит в режим обычного планера (как Space Shuttle или Буран), заходя на посадочную полосу.

Таким образом, «падение» волнолета — это не катастрофический срыв, а строго рассчитанная, управляемая траектория торможения, где каждый потерянный Мах компенсируется спуском в более плотный воздух.

Есть маленькое но... Как отмечал не раз выше по тексту, геометрия аппарата жестко «привязана» к конкретному расчетному числу Маха — это дает конкретный угол наклона ударной волны beta и угол геометрии тела theta, которые связаны через число Маха уравнением Тейлора‑Маккола (см. рис. 17 или соотношения для косого скачка уплотнения). Если ЛА спроектирован на скорость 20 Махов, то при падении скорости угол beta неизбежно растет. Волна отсоединяется от передних кромок, «сбегает», давление перетекает на верхнюю поверхность, и классический compression lift (эффект «запирания» давления под днищем) практически исчезает.
Как с этим быть? Если не менять угол theta, то всё. Чтобы ЛА не потерял подъемную силу и не перешел в кувыркание и падение, аэродинамика реального полета задействует, например, такой механизм:

Изменение угла атаки alpha — угол theta становится динамическим

В прежних рассуждениях было заложено предположение, что угол тела theta к набегающему потоку const. Но реальный waverider летит НЕ с нулевым углом атаки к строительной оси, этот угол меняется каждое мгновение. Для этого надо, чтобы бортовая система управления отслеживала все изменения как вокруг аппарата, так и на его поверхности:

• Автоматика ГЛА постоянно увеличивает физический угол атаки alpha аппарата по мере его торможения. В этом случае эффективный угол сжатия потока под днищем будет равен theta _эфф = theta _геом + alpha.

Эксперименты в аэродинамических трубах (НАСА и ЦАГИ) показывают, что при росте угла атаки alpha до 8... 12 градусов волнолет, хотя и теряет идеальный режим «запертой волны», переходит в режим работы несущей поверхности (lifting body). Он генерирует достаточную подъемную силу за счет скоса потока, даже когда скачок уплотнения давно оторвался от кромок.

Почему не происходит кувыркания? (Запас статической устойчивости)

Кувыркание (потеря контроля) происходит, если центр давления смещается вперед центра масс (см. рис. 30).

• Волнолеты проектируют так, чтобы при уменьшении числа Маха и отсоединении ударной волны центр давления смещался назад. Носовая часть аппарата разгружается, а корма нагружается давлением.

• ЛА приобретает избыточную статическую устойчивость (эффект флюгера). Он стремится сам выровняться по потоку, а не кувыркаться. Но гладко было на бумаге...

Эффективность на нерасчетных режимах

Современные исследования (например, по программе Boeing X-51 или гиперзвуковым блокам) доказали, что падение аэродинамического качества (L/D) волнолета при отклонении от расчетного Маха и переход на нерасчетные режимы (off‑design) происходит плавно.
Да, при М=15, аппарат, спроектированный на М=20, теряет до 15–20% своей идеальной несущей способности. Но этот дефицит компенсируется как раз за счет входа в более плотный воздух (где скоростной напор выше) в сочетании с увеличением угла атаки и надежным бортовым управлением.
Да, геометрия «чистого» волнолета работает только на одной скорости. Но в реальности ЛА выживает за счет того, что система управления принудительно задирает нос аппарата (увеличивает угол атаки), превращая падающий волнолет в обычный, но очень устойчивый «несущий корпус».

Хорошо, выезжаем за счет изменения угла атаки, но как быть с другими проблемами? При такой громадной скорости (пусть М=20) любой ничтожный изъян внешней поверхности приводит к изменению аэродинамического обтекания, перераспределению сил и моментов и может привести к мгновенному «кульбиту» и падению. Например, Falcon HTV-2, который потерял часть облицовки, что привело к принудительному завершению полёта.

Приходится констатировать, что при гиперзвуковых числах Маха аэродинамика становится критически чувствительной — любой микродефект превращается в кнопку разрушения аппарата.

Физика «волнового наездника» идеальна на бумаге и в симуляциях, но в реальной атмосфере она сталкивается с «эффектом бабочки»: потеря чешуйки теплозащиты гарантированно и на таких скоростях почтимгновенно уничтожает ЛА в полёте. Именно поэтому создание ультра‑гладких, стойких к абляции и не деформирующихся материалов — это главная и самая засекреченная часть таких проектов.

Как долго по времени ЛА, летящий со скоростью М=20, может продержаться, если температура его поверхности в 2 400... 3 000К?

На сегодняшний день ни один известный материал не способен работать многоразово и долговременно при такой температуре на поверхности.

Время жизни аппарата в таких условиях жестко ограничено физико‑химическими свойствами его материалов. Но «кирпичу» не нужно «многоразово» — ему надо один раз, но туда куда надо.

Но как сделать это хотя бы «одноразово»? Как не сгореть из‑за громадной температуры на поверхности (2 400... 3 000К) и как долететь до цели? Как организовать теплозащиту аппарата? Как обеспечить связь через плазму? И так далее и тому подобное

Ответы на эти вопросы в продолжении статьи. Продолжение следует...