Siły Powietrzne USA przetestowały X-51A Waverider, który zdołał osiągnąć prędkość 5 razy większą niż prędkość dźwięku i był w stanie latać przez ponad 3 minuty, ustanawiając rekord świata wcześniej utrzymywany przez rosyjskich programistów. Test wypadł dobrze, broń naddźwiękowa jest gotowa do wyścigu.
27 maja 2010 r. X-51A Waverider (w wolnym tłumaczeniu jako lot falowy, a w „mimowolnym” jako surfer) został zrzucony z bombowca B-52 nad Oceanem Spokojnym. Dopalacz X-51A, zapożyczony ze znanej rakiety ATCAMS, sprowadził Waveridera na wysokość 19,8 tys. metrów, gdzie włączono hipersoniczny silnik strumieniowy (GPRVD lub scrumjet). Następnie rakieta wzniosła się na wysokość 21, 3 tys. metrów i osiągnęła prędkość Mach 5 (5 M - pięć prędkości dźwięku). W sumie silnik rakietowy pracował przez około 200 sekund, po czym X-51A wysłał sygnał do samozniszczenia w związku z wybuchem zakłóceń telemetrycznych. Zgodnie z planem rakieta miała rozwinąć prędkość 6 M (według projektu prędkość X-51 wynosiła 7 M, czyli ponad 8000 km/h), a silnik musiał pracować 300 sekund.
Testy nie były doskonałe, ale to nie przeszkodziło im stać się wybitnym osiągnięciem. Czas pracy silnika trzykrotnie przekroczył dotychczasowy rekord (77 s) ustanowiony przez radzieckie (później rosyjskie) laboratorium latające „Kholod”. Prędkość 5M została po raz pierwszy osiągnięta z konwencjonalnym paliwem węglowodorowym, a nie z jakimś „ekskluzywnym” jak wodór. Waverider używał JP-7, nafty o niskiej zawartości pary, używanej w słynnym ultraszybkim samolocie rozpoznawczym SR-71.
Czym jest Scrumjet i jaka jest istota dotychczasowych osiągnięć? Zasadniczo silniki strumieniowe (silniki strumieniowe) są znacznie prostsze niż silniki turboodrzutowe (silniki turboodrzutowe), które są wszystkim znane. Silnik strumieniowy to po prostu wlot powietrza (jedyna ruchoma część), komora spalania i dysza. Pod tym względem wypada korzystnie w porównaniu z turbinami odrzutowymi, w których wentylator, sprężarka i sama turbina są dodawane do tego podstawowego schematu, wynalezionego w 1913 roku, dzięki połączonym wysiłkom wtłaczania powietrza do komory spalania. W silnikach strumieniowych funkcja ta jest realizowana przez sam przepływ powietrza, co natychmiast eliminuje potrzebę skomplikowanych konstrukcji pracujących w strumieniu gorących gazów i innych kosztownych przyjemności życia turboodrzutowego. Dzięki temu silniki strumieniowe są lżejsze, tańsze i mniej wrażliwe na wysokie temperatury.
Jednak prostota ma swoją cenę. Silniki z przepływem bezpośrednim są nieskuteczne przy prędkościach poddźwiękowych (do 500-600 km / h w ogóle nie działają) - po prostu nie mają wystarczającej ilości tlenu i dlatego potrzebują dodatkowych silników, które przyspieszają aparat do prędkości efektywnych. Ze względu na to, że objętość i ciśnienie powietrza wchodzącego do silnika jest ograniczone jedynie średnicą wlotu powietrza, niezwykle trudno jest skutecznie kontrolować ciąg silnika. Silniki Ramjet są zwykle „ostrzone” dla wąskiego zakresu prędkości roboczych, a poza nim zaczynają zachowywać się nieodpowiednio. Ze względu na te nieodłączne braki przy prędkościach poddźwiękowych i umiarkowanych prędkościach naddźwiękowych, silniki turboodrzutowe radykalnie przewyższają swoich konkurentów z przepływem bezpośrednim.
Sytuacja zmienia się, gdy zwrotność samolotu przestanie być skalowana po 3 wymachach. Przy dużych prędkościach lotu powietrze jest tak mocno sprężone na wlocie silnika, że znika potrzeba kompresora i innego sprzętu - a dokładniej stają się przeszkodą. Ale przy tych prędkościach naddźwiękowe silniki strumieniowe SPRVD („ramjet”) czują się świetnie. Jednak wraz ze wzrostem prędkości korzyści płynące z darmowej „sprężarki” (naddźwiękowego przepływu powietrza) stają się koszmarem dla projektantów silników.
W turboodrzutowym i SPVRD nafta spala się przy stosunkowo niskim natężeniu przepływu - 0,2 M. Pozwala to osiągnąć dobre wymieszanie powietrza i wtryskiwanej nafty, a tym samym wysoką wydajność. Ale im wyższa prędkość napływającego strumienia, tym trudniej go zahamować i tym większe są straty związane z tym ćwiczeniem. Począwszy od 6 M przepływ musi być spowolniony 25-30 razy. Pozostaje tylko spalać paliwo w przepływie naddźwiękowym. Tu zaczynają się prawdziwe trudności. Kiedy powietrze wpada do komory spalania z prędkością 2,5-3 tys. Jeszcze nie tak dawno uważano, że w przypadku nafty jest to niemożliwe.
Problemy twórców pojazdów naddźwiękowych w żadnym wypadku nie ograniczają się do stworzenia działającego SCRVD. Muszą także pokonać tzw. barierę termiczną. Samolot nagrzewa się od tarcia o powietrze, a intensywność nagrzewania jest wprost proporcjonalna do kwadratu prędkości przepływu: jeśli prędkość się podwaja, to nagrzewanie wzrasta czterokrotnie. Nagrzewanie się samolotu w locie z prędkością ponaddźwiękową (zwłaszcza na małych wysokościach) jest czasami tak duże, że prowadzi do zniszczenia konstrukcji i wyposażenia.
Podczas lotu z prędkością 3 M, nawet w stratosferze, temperatura krawędzi wejściowych wlotu powietrza i krawędzi natarcia skrzydła wynosi ponad 300 stopni, a reszty skóry - ponad 200. Urządzenie z prędkość 2-2,5 razy większa rozgrzeje 4-6 razy więcej. Jednocześnie nawet w temperaturze około 100 stopni szkło organiczne mięknie, przy 150 - wytrzymałość duraluminium jest znacznie zmniejszona, przy 550 - stopy tytanu tracą niezbędne właściwości mechaniczne, a przy temperaturach powyżej 650 stopni aluminium i magnez topią się, stal mięknie.
Wysoki poziom ogrzewania można rozwiązać albo przez pasywną ochronę termiczną, albo przez aktywne odprowadzanie ciepła, wykorzystując rezerwy paliwa na pokładzie jako chłodnicę. Problem w tym, że przy bardzo przyzwoitej zdolności „chłodzącej” nafty – pojemność cieplna tego paliwa jest tylko o połowę mniejsza niż wody – nie toleruje dobrze wysokich temperatur, a ilości ciepła, które trzeba „przetrawić” są po prostu potworny.
Najprostszym sposobem rozwiązania obu problemów (spalania naddźwiękowego i chłodzenia) jest porzucenie nafty na rzecz wodoru. Ta ostatnia stosunkowo łatwo – w porównaniu oczywiście z naftą – pali się nawet w przepływie naddźwiękowym. Jednocześnie ciekły wodór jest z oczywistych względów również doskonałą chłodnicą, co pozwala nie stosować masywnej ochrony termicznej, a jednocześnie zapewnia akceptowalną temperaturę na pokładzie. Ponadto wodór ma trzykrotnie wyższą wartość opałową niż nafta. Dzięki temu możliwe jest podniesienie granicy osiągalnych prędkości do 17 M (maksymalnie na paliwie węglowodorowym - 8 M) i jednocześnie uczynienie silnika bardziej kompaktowym.
Nic dziwnego, że większość poprzednich bijących rekordy samolotów naddźwiękowych latała właśnie na wodorze. Paliwo wodorowe zostało wykorzystane przez nasze latające laboratorium „Kholod”, które do tej pory zajmuje drugie miejsce pod względem czasu pracy silnika scramjet (77 s). To jemu NASA zawdzięcza rekordową prędkość dla pojazdów odrzutowych: w 2004 roku bezzałogowy samolot hipersoniczny NASA X-43A osiągnął prędkość 11 265 km/h (czyli 9,8 M) na wysokości lotu 33,5 km.
Stosowanie wodoru prowadzi jednak do innych problemów. Jeden litr płynnego wodoru waży zaledwie 0,07 kg. Nawet biorąc pod uwagę trzykrotnie większą „pojemność energetyczną” wodoru, oznacza to czterokrotny wzrost objętości zbiorników paliwa przy stałej ilości zmagazynowanej energii. Powoduje to napompowanie rozmiarów i wagi aparatu jako całości. Ponadto ciekły wodór wymaga bardzo specyficznych warunków pracy – „wszystkie okropności technologii kriogenicznych” plus specyfika samego wodoru – jest niezwykle wybuchowy. Innymi słowy, wodór jest doskonałym paliwem dla eksperymentalnych pojazdów i maszyn jednostkowych, takich jak bombowce strategiczne i samoloty zwiadowcze. Ale jako paliwo dla masowej broni, która może opierać się na konwencjonalnych platformach, takich jak zwykły bombowiec lub niszczyciel, nie nadaje się.
Tym bardziej znaczące jest osiągnięcie twórców X-51, którym udało się obejść bez wodoru, a jednocześnie osiągnąć imponujące prędkości i rekordowe wskaźniki na czas lotu z silnikiem strumieniowym. Część rekordu wynika z innowacyjnej konstrukcji aerodynamicznej - tego właśnie lotu fali. Dziwny kanciasty wygląd aparatu, jego dziko wyglądająca konstrukcja tworzy system fal uderzeniowych, to one, a nie korpus aparatu, stają się powierzchnią aerodynamiczną. W rezultacie siła nośna powstaje przy minimalnej interakcji padającego przepływu z samym ciałem, w wyniku czego intensywność jego nagrzewania gwałtownie spada.
X-51 ma czarną osłonę termiczną z włókna węglowego i włókna węglowego umieszczoną tylko na samym czubku nosa i z tyłu pod spodem. Główna część ciała pokryta jest białą niskotemperaturową osłoną termiczną, która wskazuje na stosunkowo łagodny tryb ogrzewania: i to na 6-7 M w dość gęstych warstwach atmosfery i nieuniknionych nurkowaniach w troposferze do celu.
Zamiast wodorowego „potwora” armia amerykańska nabyła urządzenie zasilane praktycznym paliwem lotniczym, które natychmiast przenosi je z pola zabawnego eksperymentu do realnego zastosowania. Przed nami już nie pokaz technologii, ale prototyp nowej broni. Jeśli X-51A pomyślnie przejdzie wszystkie testy, za kilka lat rozpocznie się opracowywanie pełnoprawnej wersji bojowej X-51A +, wyposażonej w najnowocześniejsze elektroniczne wypełnienie.
Według wstępnych planów Boeinga X-51A+ będzie wyposażony w urządzenia do szybkiej identyfikacji i niszczenia celów w warunkach aktywnej opozycji. Możliwość sterowania pojazdem za pomocą zmodyfikowanego interfejsu JDAM przeznaczonego do namierzania amunicji precyzyjnej została pomyślnie przetestowana podczas wstępnych testów w zeszłym roku. Samolot nowej fali dobrze pasuje do standardowych wymiarów dla amerykańskich pocisków rakietowych, to znaczy bezpiecznie mieści się w pionowych urządzeniach startowych na pokładzie, kontenerach transportowo-wyrzutniowych i dokach bombowców. Należy zauważyć, że pocisk ATCAMS, z którego zapożyczono człon wspomagający dla Waveridera, jest bronią operacyjno-taktyczną używaną przez amerykańskie systemy rakiet wielokrotnego startu MLRS.
Tak więc 12 maja 2010 r. Stany Zjednoczone przetestowały nad Oceanem Spokojnym prototyp całkowicie praktycznego naddźwiękowego pocisku manewrującego, sądząc po planowanym wypełnieniu, przeznaczonego do niszczenia wysoce chronionych celów naziemnych (szacowany zasięg to 1600 km). Być może z czasem zostaną do nich dodane powierzchniowe. Oprócz ogromnej prędkości takie pociski będą miały wysoką zdolność penetracji (nawiasem mówiąc, energia ciała przyspieszonego do 7 M jest praktycznie równoważna ładunkowi TNT o tej samej masie) i - ważną właściwość fal niestabilnych statycznie - zdolność do bardzo ostrych manewrów.
Nie jest to jedyna obiecująca profesja broni naddźwiękowej.
Pod koniec lat 90. raporty Grupy Doradczej NATO ds. Badań i Rozwoju Kosmicznego (AGARD) wskazywały, że pociski naddźwiękowe powinny mieć następujące zastosowania:
- pokonuj ufortyfikowane (lub zakopane) cele wroga i ogólnie złożone cele naziemne;
- obrona powietrzna;
- zdobycie przewagi powietrznej (takie pociski można uznać za idealny środek do przechwytywania wysoko latających celów powietrznych na duże odległości);
- obrona przeciwrakietowa – przechwytywanie odpalania rakiet balistycznych na początkowym etapie trajektorii.
- używaj jako dronów wielokrotnego użytku zarówno do uderzania w cele naziemne, jak i do rozpoznania.
Wreszcie, jasne jest, że pociski naddźwiękowe będą najskuteczniejszym – jeśli nie jedynym – antidotum na naddźwiękową broń ataku.
Innym kierunkiem rozwoju broni hipersonicznej jest tworzenie małych silników scramjet na paliwo stałe montowanych w pociskach przeznaczonych do niszczenia celów powietrznych (kaliber 35-40 mm), a także pojazdów opancerzonych i fortyfikacji (kinetyczne ppk). W 2007 roku Lockheed Martin zakończył testy prototypu kinetycznego pocisku przeciwpancernego CKEM (Compact Kinetic Energy Missile). Taki pocisk na odległość 3400 m skutecznie zniszczył radziecki czołg T-72, wyposażony w ulepszony pancerz reaktywny.
W przyszłości mogą pojawić się jeszcze bardziej egzotyczne konstrukcje, na przykład samoloty transatmosferyczne zdolne do lotów suborbitalnych na odległość międzykontynentalną. Nie bez znaczenia jest również manewrowanie głowicami hipersonicznymi dla pocisków balistycznych – i to w najbliższej przyszłości. Innymi słowy, w ciągu najbliższych 20 lat sprawy wojskowe zmienią się dramatycznie, a technologie naddźwiękowe staną się jednym z najważniejszych czynników tej rewolucji.
