Carrera de armas hipersónica
El 27 de mayo 2010, el X-51A Waverider (traducido libremente como una guía de onda y, en "involuntario", el surfista) se eliminó de un bombardero B-52 sobre el Océano Pacífico. La etapa de aceleración X-51A, tomada del conocido cohete ATCAMS, llevó al Waverider a una altitud de 19,8 de mil metros, donde se encendió el motor hipersónico de chorro (scramjet). Después de eso, el cohete se elevó a una altura de 21,3 mil metros y ganó velocidad en los barridos 5 (5 M - cinco velocidades de sonido). En total, el motor de cohete funcionó durante unos 200 segundos, después de lo cual X-51A envió una señal de autodestrucción debido a las interrupciones en la telemetría. Según el plan, el cohete debería haber desarrollado la velocidad en 6 M (según el proyecto, la velocidad X-51 - 7 M, es decir, por encima de 8000 km / h), y el motor tuvo que funcionar durante 300 segundos.
Las pruebas no fueron perfectas, pero esto no impidió que se convirtieran en un logro sobresaliente. La duración del motor tres veces superó el registro anterior (77 s), que perteneció al laboratorio de vuelo "Frío" soviético (posteriormente ruso). La velocidad en 5 M se logró primero con los combustibles de hidrocarburos convencionales, y no con algún tipo de "exclusivo" como el hidrógeno. Waverider utilizó JP-7 - queroseno de baja volatilidad, usado en el famoso explorador de alta velocidad SR-71.
¿Qué es scramjet y cuál es la esencia de los logros actuales? Fundamentalmente, los motores ramjet (motores ramjet) son mucho más simples que los motores turborreactores (motores turborreactores). Un motor ramjet es simplemente un dispositivo de admisión de aire de entrada (la única parte móvil), una cámara de combustión y una boquilla. De esta manera, se compara favorablemente con las turbinas de chorro, donde un ventilador, un compresor y la propia turbina son empujados a la cámara de combustión por los esfuerzos combinados de este esquema elemental, inventado en el año 1913. En los motores de flujo directo, esta función se realiza mediante el flujo de aire entrante, que elimina inmediatamente la necesidad de estructuras sofisticadas que funcionen en una corriente de gases al rojo vivo y otros placeres costosos de la vida útil del turborreactor. Como resultado, un ramjet es más ligero, más barato y menos sensible al calor.
Sin embargo, hay que pagar por la simplicidad. Los motores de línea 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 dispositivo a velocidades efectivas. Debido al hecho de que el volumen y la presión del aire que ingresa al motor está limitado solo por el diámetro de la entrada de aire, es extremadamente difícil controlar el empuje del motor de manera efectiva. Un motor de chorro de presión generalmente se “afila” en un rango estrecho de velocidades de operación, y más allá de sus límites, comienzan a comportarse de manera no demasiado adecuada. Debido a estas fallas inherentes a velocidades subsónicas y los motores turborreactores supersónicos moderados superan radicalmente a los competidores de flujo directo.
La situación cambia cuando la velocidad de la aeronave se desplaza sobre la máquina 3. A altas velocidades de vuelo, el aire se comprime tan fuertemente en la entrada del motor que desaparece la necesidad de un compresor y otros equipos, o más bien, se convierten en una molestia. Pero a estas velocidades, los motores supersónicos de ramjet SPRVD (Ramjet) se sienten muy bien. Sin embargo, a medida que aumenta la velocidad, las ventajas de un "compresor" libre (flujo de aire supersónico) se convierten en una pesadilla para los desarrolladores de motores.
En TRD y SPVRD, el queroseno se quema a un caudal relativamente bajo: 0,2 M. Esto permite lograr una buena mezcla de aire y queroseno inyectado y, en consecuencia, una alta eficiencia. Pero cuanto mayor sea la velocidad del flujo que se aproxima, más difícil será reducir la velocidad y mayores serán las pérdidas asociadas con este ejercicio. A partir de 6 M, la disminución de la transmisión ocurre en 25 - 30 veces. Solo queda quemar combustible en una corriente supersónica. Aquí es donde comienzan las verdaderas dificultades. Cuando el aire ingresa a la cámara de combustión a una velocidad de 2,5 - 3 a mil km / h, el proceso de mantener la combustión se vuelve similar, según uno de los desarrolladores, a "un intento de mantener encendida una cerilla en medio de un tifón". No hace mucho tiempo se creía que en el caso del queroseno esto es imposible.
Los problemas de los desarrolladores de dispositivos hipersónicos no se limitan a la creación de un GPRVD viable. Necesitan superar la llamada barrera térmica. El avión se calienta debido a la fricción del aire, y la intensidad del calentamiento es directamente proporcional al cuadrado de la velocidad del flujo: si la velocidad se duplica, entonces el calentamiento es cuatro veces más alto. El calentamiento de aeronaves en vuelo a velocidades supersónicas (especialmente a bajas altitudes) a veces es 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 delanteros del ala es mayor que los grados 300, y el resto de la piel es más que 200. Un dispositivo con una velocidad de 2 - 2,5 veces mayor se calentará en 4 - 6 veces más fuerte. Al mismo tiempo, a temperaturas de alrededor de 100 grados, el vidrio orgánico se suaviza, en 150 - la durabilidad del aluminio disminuye significativamente, en 550 - las aleaciones de titanio pierden las propiedades mecánicas necesarias y a temperaturas superiores a los grados de aluminio y magnesio de 650, el acero se ablanda.
Un alto nivel de calentamiento puede resolverse mediante protección térmica pasiva o mediante la eliminación activa del calor debido al uso de combustible a bordo como refrigerante. El problema es que con una muy buena capacidad "fría" de queroseno (la capacidad de calor de este combustible es solo la mitad que la del agua), no tolera altas temperaturas, y los volúmenes de calor que deben ser "digeridos" son simplemente monstruosos.
La forma más sencilla de resolver ambos problemas (proporcionando combustión supersónica y enfriamiento) es abandonar el queroseno en favor del hidrógeno. Este último está relativamente dispuesto, en comparación con el queroseno, por supuesto, se quema incluso en una corriente supersónica. Al mismo tiempo, el hidrógeno líquido es, por razones obvias, también un excelente enfriador, lo que hace posible no utilizar una protección térmica masiva y, al mismo tiempo, proporciona una temperatura aceptable a bordo. Además, el hidrógeno es tres veces más alto que el queroseno en valor calorífico. Esto le permite aumentar el límite de velocidades alcanzables a 17 M (máximo en el combustible de hidrocarburo - 8 M) y al mismo tiempo hacer que el motor sea más compacto.
No es sorprendente que la mayoría de los anteriores campeones hipersónicos hayan volado precisamente con hidrógeno. El combustible de hidrógeno fue utilizado por nuestro laboratorio "Chill", que actualmente es el segundo más grande en términos de duración del scramjet (77 s). La NASA también está obligada a registrar la velocidad de los vehículos a reacción: en 2004, el avión hipersónico no tripulado X-43A de la NASA alcanzó 11 265 km / h (o 9,8 M) a una altitud de 33,5 km.
El uso de hidrógeno, sin embargo, conduce a otros problemas. Un litro de hidrógeno líquido pesa solo 0,07 kg. Incluso teniendo en cuenta tres veces más la "intensidad de energía" 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 se convierte en una hinchazón de las dimensiones y la masa del aparato en su conjunto. Además, el hidrógeno líquido requiere condiciones operativas muy específicas ("todos los horrores de las tecnologías criogénicas" más las características específicas del hidrógeno en sí mismo) es extremadamente explosivo. En otras palabras, el hidrógeno es un excelente combustible para máquinas experimentales y máquinas de piezas como bombarderos estratégicos y aviones de reconocimiento. Pero como un reabastecimiento de combustible para armas masivas, capaz de basarse en plataformas convencionales como un bombardero o destructor normal, es inadecuado.
Lo más significativo es el logro de los creadores de X-51, que lograron prescindir del hidrógeno y al mismo tiempo lograron velocidades impresionantes y cifras récord de la duración del vuelo con un motor de ramjet. Parte del registro se debe al innovador esquema aerodinámico, el mismo aeródromo. La extraña apariencia angular del aparato, su construcción 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 se produce con una interacción mínima del flujo incidente con el propio cuerpo y, como resultado, la intensidad de su calentamiento disminuye considerablemente.
El material de negro de carbono resistente al calor, negro y de alta temperatura X-51 se encuentra solo en la punta de la nariz y en la parte posterior de la superficie inferior. La parte principal del cuerpo está cubierta con una protección térmica blanca a baja temperatura, lo que indica un modo de calefacción relativamente escaso: y esto es para 6 - 7 M en capas bastante densas de la atmósfera e inevitables zambullidas en la troposfera hacia el objetivo.
En lugar de un "monstruo" de hidrógeno, el ejército de los EE. UU. Adquirió un dispositivo con un práctico combustible de aviación, que inmediatamente lo saca del campo de un experimento divertido a aplicaciones del mundo real. Ante nosotros ya no es una demostración de tecnología, sino un prototipo de una nueva arma. Si X-51A supera con éxito todas las pruebas, en pocos años comenzará el desarrollo de una versión completa de combate de X-51A +, equipada con el llenado electrónico más actualizado.
De acuerdo con los planes preliminares de Boeing, X-51A + estará equipado con dispositivos para la rápida identificación y destrucción de objetivos en condiciones de resistencia activa. La capacidad de controlar el dispositivo mediante una interfaz JDAM modificada, diseñada para atacar municiones de alta precisión, se probó con éxito durante las pruebas preliminares del año pasado. El nuevo transportador de olas encaja perfectamente en los tamaños estándar para misiles estadounidenses, es decir, encaja de manera segura en los dispositivos de lanzamiento vertical, los contenedores de transporte y lanzamiento y los compartimentos de los bombarderos. Tenga en cuenta que el cohete ATCAMS, que tomó prestada la etapa de aceleración para el Waverider, es un arma táctica utilizada por los sistemas de cohete de lanzamiento múltiple estadounidense MLRS.
Por lo tanto, el 12 de mayo 2010 de Estados Unidos sobre el Pacífico ha experimentado un prototipo de un misil de crucero hipersónico completamente práctico, a juzgar por el relleno planificado diseñado para alcanzar objetivos en tierra altamente seguros (rango estimado - km de 1600). Quizás, con el tiempo, se les agregará a la superficie. Además de la tremenda velocidad en los activos de tales misiles, habrá una alta capacidad de penetración (por cierto, la energía de un cuerpo acelerado a 7 M es casi equivalente a la misma masa de TNT) y, una propiedad importante de los gusanos de onda estáticamente inestables, la capacidad de maniobras muy agudas.
Esta no es la única profesión prometedora de las armas hipersónicas.
Los informes del Grupo Asesor de Investigación y Desarrollo Espacial de la OTAN (AGARD), preparados al final de los 1990, indican que los misiles hipersónicos deben tener los siguientes usos:
- la derrota de los objetos fortificados (o empotrados) del enemigo y los objetivos terrestres complejos en general;
- defensa aérea
- conquistar la supremacía aérea (tales misiles pueden considerarse un medio ideal para interceptar objetivos aéreos de alto vuelo a largas distancias);
- Defensa de misiles: intercepción del lanzamiento de misiles balísticos en la parte inicial de la trayectoria.
- utilizar como reutilizable droneless tanto para atacar objetivos terrestres como para reconocimiento.
Finalmente, es obvio 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 armamentos hipersónicos es la creación de un scramjet de combustible sólido de pequeño tamaño montado en proyectiles diseñados para destruir objetivos aéreos (calibre 35 - 40 mm), así como vehículos blindados y fortificaciones (ATGM cinético). En 2007, Lockheed Martin completó las pruebas en un prototipo de un misil antitanque cinético KKEM (misil de energía cinética compacta). Un misil a una distancia de 3400 m destruyó con éxito el tanque soviético T-72, equipado con protección dinámica avanzada.
En el futuro, es posible el surgimiento de estructuras aún más exóticas, como las aeronaves trans-atmosféricas, capaces de vuelos suborbitales en el rango intercontinental. Bastante relevante, y en un futuro próximo, y maniobrando ojivas hipersónicas para misiles balísticos. En otras palabras, en los próximos años 20, los asuntos militares cambiarán dramáticamente y la tecnología hipersónica se convertirá en uno de los factores más importantes de esta revolución.
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