La Fuerza Aérea de los EE. UU. Probó el X-51A Waverider, que logró ganar velocidad 5 veces la velocidad del sonido y pudo volar durante más de 3 minutos, estableciendo un récord mundial anteriormente en manos de los desarrolladores rusos. La prueba salió bien en general, las armas hipersónicas están listas para competir.
El 27 de mayo de 2010, el X-51A Waverider (traducido libremente como un vuelo de olas y en "involuntario" como un surfista) fue lanzado desde un bombardero B-52 sobre el Océano Pacífico. La etapa de refuerzo X-51A, tomada del conocido cohete ATCAMS, llevó al Waverider a una altitud de 19,8 mil metros, donde se encendió un motor ramjet hipersónico (GPRVD o scrumjet). Después de eso, el cohete se elevó a una altura de 21, 3 mil metros y adquirió una velocidad de Mach 5 (5 M - cinco velocidades de sonido). En total, el motor del cohete funcionó durante unos 200 segundos, después de lo cual el X-51A envió una señal de autodestrucción en relación con el brote de interrupciones de telemetría. Según el plan, se suponía que el cohete desarrollaría una velocidad de 6 M (según el proyecto, la velocidad del X-51 era de 7 M, es decir, más de 8000 km / h), y el motor tenía que funcionar durante 300 segundos.
Las pruebas no fueron perfectas, pero esto no impidió que se convirtieran en un logro sobresaliente. El tiempo de funcionamiento del motor superó el récord anterior (77 s) en tres veces, en poder del laboratorio de vuelo soviético (más tarde ruso) "Kholod". La velocidad de 5M se logró primero con combustible de hidrocarburo convencional, y no con algunos "exclusivos" como el hidrógeno. Waverider usó JP-7, un queroseno de bajo vapor utilizado en el famoso avión de reconocimiento de ultra alta velocidad SR-71.
¿Qué es un Scrumjet y cuál es la esencia de los logros actuales? En principio, los motores ramjet (motores ramjet) son mucho más simples que los motores turborreactores (motores turborreactores) que son familiares para todos. Un motor ramjet es simplemente una entrada de aire (la única parte móvil), una cámara de combustión y una boquilla. En esto se compara favorablemente con las turbinas de chorro, donde un ventilador, un compresor y la turbina en sí se agregan a este esquema elemental, inventado en 1913, mediante esfuerzos combinados para impulsar el aire hacia la cámara de combustión. En los motores estatorreactores, esta función la realiza el propio flujo de aire que se aproxima, lo que elimina inmediatamente la necesidad de diseños sofisticados que operan en una corriente de gases calientes y otros placeres costosos de la vida de un turborreactor. Como resultado, los motores ramjet son más ligeros, más baratos y menos sensibles a las altas temperaturas.
Sin embargo, la simplicidad tiene un precio. Los motores de flujo directo son ineficaces a velocidades subsónicas (hasta 500-600 km / h no funcionan en absoluto); simplemente no tienen suficiente oxígeno y, por lo tanto, necesitan motores adicionales que aceleren el aparato a velocidades efectivas. Debido al hecho de que el volumen y la presión del aire que entra en el motor están limitados únicamente por el diámetro de la entrada de aire, es extremadamente difícil controlar eficazmente el empuje del motor. Los motores estatorreactores generalmente se "afilan" para un rango estrecho de velocidades de operación, y fuera de él comienzan a comportarse de manera inadecuada. Debido a estas deficiencias inherentes a velocidades subsónicas y supersónicas moderadas, los motores turborreactores superan radicalmente a sus competidores de flujo directo.
La situación cambia cuando la agilidad del avión se sale de escala durante 3 oscilaciones. A altas velocidades de vuelo, el aire se comprime tanto en la entrada del motor que desaparece la necesidad de un compresor y otros equipos; más precisamente, se convierten en un obstáculo. Pero a estas velocidades, los motores ramjet supersónicos SPRVD ("ramjet") se sienten muy bien. Sin embargo, a medida que aumenta la velocidad, los beneficios del "compresor" gratuito (flujo de aire supersónico) se convierten en una pesadilla para los diseñadores de motores.
En turborreactores y SPVRD, el queroseno se quema a un caudal relativamente bajo: 0,2 M. Esto le permite lograr una buena mezcla de aire y queroseno inyectado y, en consecuencia, una alta eficiencia. Pero cuanto mayor sea la velocidad de la corriente entrante, más difícil será frenarla y mayores serán las pérdidas asociadas con este ejercicio. A partir de 6 M, el flujo debe reducirse entre 25 y 30 veces. Todo lo que queda es quemar combustible en un flujo supersónico. Aquí es donde comienzan las verdaderas dificultades. Cuando el aire ingresa a la cámara de combustión a una velocidad de 2.5-3 mil km / h, el proceso de mantenimiento de la combustión se vuelve similar, en palabras de uno de los desarrolladores, a "tratar de mantener encendida una cerilla en medio de un tifón". " No hace mucho tiempo se creía que en el caso del queroseno esto era imposible.
Los problemas de los desarrolladores de vehículos hipersónicos no se limitan de ninguna manera a la creación de un SCRVD viable. También necesitan superar la llamada barrera térmica. El avión se calienta por la fricción contra el aire, y la intensidad del calentamiento es directamente proporcional al cuadrado de la velocidad del flujo: si la velocidad se duplica, el calentamiento se cuadriplica. El calentamiento de un avión en vuelo a velocidades supersónicas (especialmente a bajas altitudes) es a veces tan grande que conduce a la destrucción de la estructura y el equipo.
Al volar a una velocidad de 3 M, incluso en la estratosfera, la temperatura de los bordes de entrada de la entrada de aire y los bordes de ataque del ala es de más de 300 grados, y el resto de la piel, más de 200. El dispositivo con una velocidad de 2 a 2,5 veces más calentará de 4 a 6 veces más. Al mismo tiempo, incluso a temperaturas de aproximadamente 100 grados, el vidrio orgánico se ablanda, a 150 - la resistencia del duraluminio se reduce significativamente, a 550 - las aleaciones de titanio pierden las propiedades mecánicas necesarias, y a temperaturas superiores a 650 grados, el aluminio y el magnesio se derriten, el acero se ablanda.
Un alto nivel de calentamiento puede resolverse mediante protección térmica pasiva o mediante la eliminación activa del calor utilizando las reservas de combustible a bordo como enfriador. El problema es que con una capacidad de "enfriamiento" muy decente del queroseno - la capacidad calorífica de este combustible es solo la mitad que la del agua - no tolera bien las altas temperaturas, y los volúmenes de calor que necesitan ser "digeridos" son simplemente monstruoso.
La forma más sencilla de resolver ambos problemas (combustión supersónica y enfriamiento) es abandonar el queroseno en favor del hidrógeno. Este último con relativa facilidad, en comparación con el queroseno, por supuesto, se quema incluso en un flujo supersónico. Al mismo tiempo, el hidrógeno líquido es, por razones obvias, también un excelente enfriador, lo que permite no utilizar una protección térmica masiva y al mismo tiempo garantizar una temperatura aceptable a bordo. Además, el hidrógeno tiene tres veces el poder calorífico del queroseno. Esto permite elevar el límite de velocidades alcanzables hasta 17 M (máximo en combustible de hidrocarburo - 8 M) y al mismo tiempo hacer que el motor sea más compacto.
No es sorprendente que la mayoría de los aviones hipersónicos anteriores que batían récords volaran precisamente con hidrógeno. El combustible de hidrógeno fue utilizado por nuestro laboratorio de vuelo "Kholod", que hasta ahora ocupa el segundo lugar en términos de duración del motor scramjet (77 s). A él, la NASA le debe una velocidad récord para los vehículos a reacción: en 2004, el avión hipersónico no tripulado X-43A de la NASA alcanzó una velocidad de 11.265 km / h (o 9,8 M) a una altitud de vuelo de 33,5 km.
Sin embargo, el uso de hidrógeno conlleva otros problemas. Un litro de hidrógeno líquido pesa solo 0,07 kg. Incluso teniendo en cuenta la "capacidad energética" tres veces mayor del hidrógeno, esto significa un aumento de cuatro veces en el volumen de los tanques de combustible con una cantidad constante de energía almacenada. Esto da como resultado inflar el tamaño y el peso del aparato en su conjunto. Además, el hidrógeno líquido requiere condiciones de funcionamiento muy específicas - "todos los horrores de las tecnologías criogénicas" más la especificidad del propio hidrógeno - es extremadamente explosivo. En otras palabras, el hidrógeno es un combustible excelente para vehículos experimentales y máquinas de piezas como bombarderos estratégicos y aviones de reconocimiento. Pero como combustible para armas masivas capaces de basarse en plataformas convencionales como un bombardero o destructor normal, no es adecuado.
Lo más significativo es el logro de los creadores del X-51, que lograron prescindir de hidrógeno y, al mismo tiempo, alcanzaron velocidades impresionantes e indicadores récord durante la duración del vuelo con un motor ramjet. Parte del récord se debe a un diseño aerodinámico innovador: ese mismo vuelo de olas. La extraña apariencia angular del aparato, su diseño de aspecto salvaje crea un sistema de ondas de choque, son ellos, y no el cuerpo del aparato, los que se convierten en la superficie aerodinámica. Como resultado, la fuerza de elevación surge con una interacción mínima del flujo incidente con el propio cuerpo y, como resultado, la intensidad de su calentamiento disminuye drásticamente.
El X-51 tiene un escudo térmico negro de carbono-carbono para altas temperaturas ubicado solo en la punta de la nariz y en la parte trasera de la parte inferior. La parte principal del cuerpo está cubierta con un escudo de calor blanco de baja temperatura, lo que indica un modo de calentamiento relativamente suave: y esto es a 6-7 M en capas bastante densas de la atmósfera e inevitables inmersiones en la troposfera hacia el objetivo.
En lugar de un "monstruo" de hidrógeno, el ejército estadounidense ha adquirido un dispositivo propulsado por combustible de aviación práctico, que lo saca inmediatamente del campo de los divertidos experimentos y lo lleva al ámbito de la aplicación real. Ante nosotros ya no hay una demostración de tecnología, sino un prototipo de una nueva arma. Si el X-51A pasa con éxito todas las pruebas, en unos años comenzará el desarrollo de una versión de combate completa del X-51A +, equipada con el llenado electrónico más moderno.
Según los planes preliminares de Boeing, el X-51A + estará equipado con dispositivos para la rápida identificación y destrucción de objetivos en condiciones de oposición activa. La capacidad de controlar el vehículo utilizando una interfaz JDAM modificada diseñada para apuntar municiones de alta precisión se probó con éxito durante las pruebas preliminares el año pasado. El avión de nueva ola encaja bien en las dimensiones estándar de los misiles estadounidenses, es decir, encaja de forma segura en los dispositivos de lanzamiento vertical a bordo, contenedores de transporte y lanzamiento y bahías de bombarderos. Tenga en cuenta que el misil ATCAMS, del que se tomó prestada la etapa de refuerzo para el Waverider, es un arma táctica operativa utilizada por los sistemas de cohetes de lanzamiento múltiple MLRS estadounidenses.
Así, el 12 de mayo de 2010, sobre el Océano Pacífico, Estados Unidos probó un prototipo de un misil de crucero hipersónico completamente práctico, a juzgar por el llenado planeado, diseñado para destruir objetivos terrestres altamente protegidos (el alcance estimado es de 1600 km). Quizás, con el tiempo, se les agreguen los de superficie. Además de la tremenda velocidad, tales misiles tendrán una alta capacidad de penetración (por cierto, la energía de un cuerpo acelerado a 7 M es prácticamente equivalente a una carga de TNT de la misma masa) y - una propiedad importante de las ondas estáticamente inestables. - la capacidad de realizar maniobras muy bruscas.
Esta está lejos de ser la única profesión prometedora de armas hipersónicas.
A fines de la década de 1990, los informes del Grupo Asesor de Investigación y Desarrollo Espacial de la OTAN (AGARD) señalaron que los misiles hipersónicos deberían tener las siguientes aplicaciones:
- derrotar objetivos enemigos fortificados (o enterrados) y objetivos terrestres complejos en general;
- defensa aérea;
- la conquista de la supremacía aérea (tales misiles pueden considerarse un medio ideal para interceptar objetivos aéreos de alto vuelo a largas distancias);
- defensa antimisiles - interceptación del lanzamiento de misiles balísticos en la etapa inicial de la trayectoria.
- Úselo como drones reutilizables tanto para atacar objetivos terrestres como para reconocimiento.
Por último, está claro que los misiles hipersónicos serán el antídoto más eficaz, si no el único, contra las armas de ataque hipersónicas.
Otra dirección en el desarrollo de armas hipersónicas es la creación de motores scramjet de propulsante sólido de pequeño tamaño montados en proyectiles diseñados para destruir objetivos aéreos (calibres 35-40 mm), así como vehículos blindados y fortificaciones (ATGM cinéticos). En 2007, Lockheed Martin completó las pruebas de un prototipo de misil cinético antitanque CKEM (Compact Kinetic Energy Missile). Tal misil a una distancia de 3400 m destruyó con éxito el tanque soviético T-72, equipado con una armadura reactiva mejorada.
En el futuro, pueden aparecer diseños aún más exóticos, por ejemplo, aviones transatmosféricos capaces de vuelos suborbitales en un rango intercontinental. Maniobrar ojivas hipersónicas para misiles balísticos también es bastante relevante, y en un futuro cercano. En otras palabras, en los próximos 20 años, los asuntos militares cambiarán drásticamente y las tecnologías hipersónicas se convertirán en uno de los factores más importantes de esta revolución.
