«Оружие на новых физических принципах»: мифы и реальность. Часть 3: Русская гиперскорость
Постоянно читая и наблюдая победные реляции, посвящённые американским программам гиперзвуковых и аэрокосмических систем, трудно избавиться от ощущения, что мы остались где-то во второй половине ХХ века и безнадёжно отстали от стран, вступающих в век новых технологий. Действительно, о том, чем можем похвастаться мы, не пишут на первых полосах изданий, не пестрят топы новостей, не обсуждают красочные ролики интернет-сообщества. Лишь изредка появляются скупые сообщения на информлентах (без названий и пояснений), да на различных выставках появляются странные конструкции, не привлекающие внимания публики. Давайте попробуем разобраться, чем же богаты «мы» и «они».
Для начала — немного о том, что же такое «гиперзвуковые» и «трансатмосферные» аппараты нового вида и чем они отличаются от традиционной авиации и космических ракет.
Гиперзвуковые летательные аппараты отличаются от сверхзвуковых скоростью полёта. Если современные сверхзвуковые самолёты в большинстве способны лишь перейти границу скорости звука, то гиперзвуковые способны летать на скоростях, в несколько раз её превышающих. Традиционно максимальная скорость летательного аппарата обозначается числом Маха (М), то есть отношением локальной скорости потока к местной скорости звука, но упрощенно – скорости самолёта к скорости звука (тогда 1М – будет скоростью звука). Выглядит как коэффициент, например: Су-27– 2,5М (может превысить скорость звука в два с половиной раза); F-18 — 1,7М; МиГ-31 — 2.82М и т. д. При этом, скорость у земли значительно ниже из-за плотности воздушного потока, а крейсерская – вообще дозвуковая (кроме истребителей 5-го поколения, для которых сверхзвук в бесфорсажном режиме двигателей – главная характеристика). Соответственно, гиперзвуковые машины должны летать со скоростями от 3М, до 8М и более. При этом они могут быть как пилотируемыми, так и беспилотными.
Трансатмосферные машины отичаются от современной авиации существенно большей высотой применения, от космических систем – возможностью свободно действовать в атмосфере. Если упрощённо – это самолёт (или беспилотный аппарат), летающий и в космосе и в атмосфере. Скажем, «потолок» современной авиации редко превышает 20 километров. А известные американские шаттлы и отечественные «Боры» и «Буран» — только совершали планирование и торможение в атмосфере при сходе с орбиты, не более.
Начнём, конечно, с достижений американцев, поскольку о них наслышаны многие. В отличие от нас, до начала 90-х они имели лишь некоторые наработки по высотной и скоростной авиации. В основном они экспериментировали с установкой на самолёты ракетных двигателей. Но осознали необходимость коренного изменения подхода, только получив доступ к некоторой части советских перспективных и реализованных программ. К тому же, осознав себя после развала Союза единственной силой, они стали пересматривать концепцию применения вооружённых сил, требовавшую от «гегемона» новых, уже планетарных масштабов. В результате появилась концепция «всеохватывающего превосходства над противником», которая подразумевает полный контроль над воздушно-космическим пространством и возможность нанесения удара в любой точке планеты.
Однако существовавшая техническая база (прежде всего в области двигателестроения) не позволяла достичь сколько-нибудь существенного увеличения характеристик летательных аппаратов. Дело в том, что аппарат с ракетным реактивным двигателем вынужден тащить с собой и горючее, и окислитель, что делает его большим и тяжёлым (достаточно посмотреть на разгонные ракеты для космических аппаратов). Это же обстоятельство делает запредельной стоимость доставки грузов в космос. А традиционный турбореактивный двигатель, использует для окисления атмосферный кислород. Но достичь на нём больших скоростей невозможно, поскольку наличие турбины при большой скорости набегающего потока становится помехой (пределы по физическим свойствам материалов турбин, уже достигнуты).
И тут американцы обратили внимание на советские работы в области прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ПВРД). Упрощенно — это двигатель без турбины, где набегающий поток воздуха сжимается до большой плотности на входе (самой скоростью потока, а не компрессором, как в турбореактивном), смешивается с горючим в камере сгорания и благодаря большой плотности скорость горения и, соответственно, скорость истечения продуктов горения (реактивной струи) очень высоки.
К концу 80-х Советский Союз имел три серийных образца оружия с ПВРД (ракеты Х-31, 3М-80 «Москит», ранее зенитная 3М8 комплекса «Круг») и ряд других разработок, о которых потом. Все три ракеты нельзя назвать гиперзвуковыми (скорость около 2М), так же как появившийся позже «Оникс» (экспортный вариант – «Яхонт»/«Брамос», скорость 2,8М). Однако американцы и поныне не имеют серийных образцов подобного оружия. Единственным успехом американцев можно считать высотный разведчик А-12/SR-71, турбореактивный двигатель которого для выхода на большую скорость (до 3,2М) имел сложный четырёхступенчатый компрессор. Однако не очень удачная конструкция и сложность двигателя постоянно приводили к катастрофам. В результате «естественная убыль» составила 12 из 30 выпущенных машин.
Если говорить о преимуществах именно оружия с ПВРД, то, кроме небольшой массы и компактности, небольшой стоимости, а также затруднительной работы против него средств ПВО (высокая скорость оставляет мало времени на реакцию), имеется ещё один резон. Это разрушительная мощь гиперзвукового оружия, которая обусловлена известным из школьной физики эффектом квадрата скорости в формуле кинетической энергии. Так одна и та же масса произведёт в 64 раза больше разрушений при скорости 8М, чем при скорости 1М. Это даёт возможость даже отказаться в таком оружии от взрывающейся боевой части – простая болванка достаточной массы на такой скорости наделает больше, чем тротиловый заряд, аккуратно положенный рядом с целью. Вдобавок высокие скорости и возможное применение с околоземной орбиты, затрудняет перехват подобного оружия и будет требовать в качестве меры противодействия ответного удара (подобного принципу «ядерного сдерживания»), а это технологически не под силу большинству даже сильно экономически развитых государств.
И вот американцы плотно взялись за это направление, полагая, что крах единственного геополитического противника, повлёкший его технологический упадок, позволит им достичь недосягаемого для других военного могущества. Это было важно, поскольку молодые «страны третьего мира», которые поднимались экономически, не имели фундаментального технологического задела. А остановить их подъём для США необходимо, чтобы сохранить свое исключительное положение в мире. При этом, американцы понимают, что достичь остановки роста молодых экономик можно только военно-экономическим путем: со слабыми – прямым военным вмешательством, с сильными – сокращая сырьевую и торговую базу серией периферийных конфликтов, с очень сильными – разжиганием внутренних конфликтов. Всё это невозможно без глобального военного превосходства.
Итак, с начала 90-х американцы проводят общегосударственную программу, разбитую на множество сегментов и имеющую целью создание новых систем оружия, космических и трансатмосферных систем. В новом облике средства поражения и средства доставки должны действовать в едином воздушно-космическом пространстве, имея в нём полное господство; обеспечивать полный контроль поверхности земли и досягаемость любой точки мира за малый промежуток времени; преодолевать любую противовоздушную и противоракетную оборону, обеспечивая превентивный обезоруживающий удар ядерными и неядерными средствами.
В рамках этих программ проводились следующие эксперименты:
— Аппарат Х-34, весной 2004 года достигший скорости в атмосфере 10М (до этого испытания заканчивались катастрофами, обломки самолёта и ускорителя не раз падали в Тихий океан). Это беспилотный аппарат с ракетным двигателем, запускался с самолёта, служил экспериментальным целям по программе доставки на орбиту грузов небольшой массы. В настоящее время программа свёрнута, два образца аппарата находятся на хранении.
— Boeing X-37 – космоплан аналогичного назначения. Первый космический запуск – 22 апреля 2010 года, разгон ракетой-носителем «Атлас-5». После 225 дней, проведённых в космосе, вернулся на землю в автоматическом режиме, получив значительные повреждения от столкновений с «космическим мусором» и при торможении в атмосфере. Второй запуск состоялся 5 марта 2011 года на более широкую орбиту. В настоящее время X-37 находится там, проведя в космосе более года. Третий старт запланирован на осень этого года.
— X-43A — гиперзвуковой летательный аппарат с прямоточным воздушно-реактивным двигателем. Появился как продолжение закончившейся неудачей программы X-30 (пилотируемого одноступенчатого аэрокосмического самолёта). Запуск с самолёта, разгон ускорителем ракеты «Пегас». Служит для отработки аэродинамической схемы и ПВРД. На базе полученных на нём экспериментальных результатов, планируется создание различных систем, от ударных, до аэрокосмических систем выведения на орбиту. Удачен только третий полёт (2004 год), установлена скорость 9,6М, в настоящее время работы приостановлены.
— X-51A – гиперзвуковая крылатая ракета в рамках программы Prompt Global Strike (быстрый глобальный удар). Новый ПВРД, запуск с самолёта, но разгонный блок возможно приспособить для самостоятельного старта. Первый запуск 26 мая 2010 года, скорость менее 5М удерживалась 140 секунд. Второй запуск в 2011 г. закончился неудачей — при попытке таки разогнать его до 6М, аппарат потерял управление. Третий запуск планируется в начале лета этого года.
— FHTV-2 – часть масштабной программы «Falcon – HTV», включающей разработку аппаратов различных классов в рамках единой системы средств доставки и поражения. Falcon HTV-2 представляет собой гиперзвуковое средство поражения (скорость в атмосфере должна достигать 23М) разгоняемое ракетой-носителем Минотавр-IV (по сути – разгонный блок МБР «Минитмен»). Аналог отечественных маневрирующих боевых блоков (о них ниже). Первый запуск в апреле 2010 года. В процессе полёта связь с аппаратом потеряна. Второе испытание 11 августа 2011 года. Если в первом испытании связь была потеряна на 9-й минуте, то во-втором – аж на 26-й – некоторый прогресс наблюдается.
Кроме этого, существуют программы пока не имевшие лётных испытаний. Проект ARRMD (Advanced/Affordable Rapid Response Missile Demonstrator) должен дать тактическую ракету со скоростью 6-8М, ценой около 200 тыс. $, дальностью не менее 1080 км. Флотская программа HyFly (Hypersonic Flight — «Гиперзвуковой полёт») предусматривает создание похожей ракеты, но с несколько меньшей скоростью (3-4М). Есть ещё целый ряд проектов как оружия, так и его носителей в разной степени готовности, но не вышедших на этап испытаний. Говорить о них как о реальности не представляется возможным, поскольку испытания даже дошедших до запусков образцов сложно назвать успешными. О том, что программы буксуют, говорит интерес американцев к французским наработкам по ракете ASMP и закупка у нас в качестве мишеней ракет Х-31. Кстати, Франция – единственная, кроме Советского Союза страна, которая смогла самостоятельно разработать ракету с ПВРД – стратегическую авиационную ASMP. К работам по её версии с увеличенной дальностью (ASLP) уже подключились британцы, так же как и по ракете «воздух — воздух» MBDA Meteor, также оснащённой ПВРД и ставшей общеевропейской «длинной рукой» ВВС.
А теперь вернёмся к нашим наработкам. Начнём с российско-индийской «Брамос-2», которую планируют сделать гиперзвуковой, со скоростью 5-7М. Поскольку у нас не любят пышно обставлять и презентовать испытания перспективных систем, чтобы понять, насколько это реально, следует обратиться к отечественной истории гиперзвуковых и трансатмосферных аппаратов.
Аналогичные крутящемуся сейчас на орбите X-37 «космические самолёты», проектируются у нас с конца 50-х. Начинались работы с проектов активно маневрирующих в атмосфере боевых блоков МБР. Первой серьёзной работой следует считать изделие «130» Туполевского КБ. При проработке планера модели отстреливались артиллерийскими и газодинамическими орудиями, получались данные поведения моделей на скоростях до 6М. Однако в 60-м году работы по нему были переданы в ОКБ-52 В.Н.Челомея, а туполевцы занялись пилотируемым проектом по теме «Звезда» — изделием «136». Он создавался в пику провальному американскому X-20 «Dyna Soar», который так и не взлетел. Здесь уже прорабатывался вариант вывода на орбиту разгоном с помощью сверхзвукового самолёта, а не обычной ракетой. Проработка изделия была уже более детальной – сконструированы силовая установка, посадочные устройства, средства спасения экипажа и другое оборудование. Но проект был так же свёрнут в середине 60-х. Однако он дал толчок для создания гиперзвуковых атмосферных машин. И здесь началась проработка стратегических самолётов и самолётов-разгонщиков с комбинированной силовой установкой, включавшей турбореактивные двигатели для малых скоростей и ПВРД – для больших. ПВРД были изготовлены и испытаны ещё на ранних моделях. В 1962-1963 гг. на базе ОКБ-670 в Тураево начались стендовые исследования образца гиперзвукового ПВРД. В 1966 г. рассматривалась возможность создания аппарата, получившего обозначение «Эра», с гиперзвуковым режимом работы на скоростях, соответствующих М=6,0 — 10,0 и высотах 14 — 30 км. В дальнейшем же работы по тяжёлому гиперзвуковым аппаратам разбились на несколько самостоятельных направлений.
Направление ударного стратегического гиперзвукового самолёта с ПВРД прорабатывалось на туполевском изделии «360» и более позднем микояновском «301/321», которые должны были развивать скорость 4-6М. Последняя программа до начала 90-х считалась приоритетной программой ВВС. Сведений об их испытаниях нет.
С воздушными разгонщиками обстояло несколько сложней. Для системы «Спираль» планировался гиперзвуковой самолёт-разгонщик (ГСР) «50-50». Однако воздушный старт оказался непростым делом. От идеи установки на нём ПВРД отказались почти сразу, но и прототип с турбореактивными двигателями прорабатывался слишком медленно. В результате все четыре полёта ОС «БОР» («боевой» или «беспилотный» орбитальный ракетоплан) совершил, стартуя на разгонной ракете (с 1982 по 1984 годы) так же, как нынешний американский X-37, и также в автоматическом режиме. Однако идея не пропала. С 1993 года по заказу Российского авиакосмического агентства проводятся исследования по теме «Орёл». Это аэрокосмическая система, которая может включать самолёт-разгонщик или ракетный ускоритель, а также сам трансатмосферный аппарат с ПВРД.
Ряд интересных проектов было предложено НИПГС ХК «Ленинец». Это и гиперзвуковой многоцелевой самолет «Аякс», и семейство гиперзвуковых аппаратов «Нева» для околоземной или орбитальной транспортировки полезных грузов или даже пассажиров.
Следующим направлением стал одноступенчатый воздушно-космический самолет (ВКС), то есть не использующий никаких разгонных систем. Здесь далее других продвинулся туполевский проект изделия «2000» (Ту-2000). В нём использовались наработки по изделию «360», с конца 80-х были испытаны двигатели, изготовлены и испытаны элементы планера и фюзеляжа, топливные системы. В 1992-м работы были приостановлены, а возобновлены только в начале 2000-х.
Ну, и несколько слов об отечественных летающих лабораториях, на которых отрабатывались и продолжают отрабатываться системы для новых летательных аппаратов и средств поражения. Их испытания начались значительно раньше перечисленных выше американских аналогов и ход работ более успешен.
Первое в мире лётное испытание гиперзвукового ПВРД состоялось у нас 28 ноября 1991 г. Это была специальная гиперзвуковая летающая лаборатория (ГЛЛ) «Холод», использовавшая в качестве разгонной ступени зенитную ракету 5В28 комплекса С-200. В отличие от не очень удачных американских экспериментов, ГЛЛ «Холод» совершила в общей сложности семь полётов. В первых двух отрабатывались системы управления полётом на гиперзвуковых скоростях, в последующих использовался гиперзвуковой ПВРД совместной разработки ЦИАМ и ТМКБ «Союз». Полёты проходили на высотах от 15 до 35 км., достигнуты режимы скорости 3,5 – 6,5М. Когда работы было решено перенести на следующие летающие лаборатории, ГЛЛ «Холод» стола использоваться для международных программ. В частности, совместно с французской «Aerospatiale» и американской NASA, причём последняя не была допущена к самим экспериментам, а только покупала их результаты на основе данных бортовой аппаратуры. Без этих данных разрабатывавшийся как раз в это время американский X-43 вряд ли вообще совершил бы полёт.
Следующий этап работ связан сразу с несколькими аппаратами, продолжавшими программу исследований. Создавались они совместно ЦИАМ (Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова) и ЛИИ (Летно-исследовательском институте имени М.М. Громова):
— ГЛЛ-8 разгонялась ракетой-носителем до скоростей близких к 14М (информация впервые представлена на авиасалоне МАКС-97).
— ГЛЛ-ВК («Игла») – модель для отработки будущего «воздушно-космического самолёта» программы «Орёл». Разгон также с помощью ракеты-носителя.
— ГЛЛ-31 (ВЛЛ-АС) – модель гиперзвукового средства поражения не выходящего за пределы атмосферы. Разгон осуществлялся самолётом МиГ-31.
Х-90 / ГЭЛА – так же модель гиперзвуковой ракеты (в НАТО даже присвоен код и обозначение – AS-19 «Koala»). Испытывалась с борта Ту-160, дальность около 3000 км., крейсерская скорость 4-5М.
— В 2004 году специалисты ЦИАМ заявили, что готовят к испытаниям неназванный аппарат с тремя двигателями, способного развить скорость, в 15 раз превышающую скорость звука.
Итак, если сравнить состояние отечественной и американской программ по успешности испытаний, то пожалуй, отставание наших разработок будет только в масштабе рекламных компаний. Да, на аэрокосмических выставках мы выставляем модели и стенды, а не заполоняем телевидение и Интернет красочными роликами и 3D-моделями. Однако наши образцы — менее виртуальны. Они летают, и с ними не «теряется контакт». Возможно, американцам удастся довести свои программы до действующих систем. Однако достичь «всеохватывающего превосходства» им уже вряд ли удастся. Пока американцы не могут провести успешное испытание маневрирующего боевого блока МБР (FHTV-2), у нас оно состоялось ещё в ходе учений «Безопасность-2004». По их итогам Владимир Путин заявил, что «на вооружение Российской армии будут поставлены новейшие технические комплексы, которые в состоянии поражать цели на межконтинентальной глубине с гиперзвуковой скоростью и высокой точностью, с возможностью глубокого маневра как по высоте, так и по курсу». А Юрий Балуевский дополнил это заявление словами «аппарат может обходить региональные системы противоракетной обороны… может решать задачи по преодолению систем ПРО, в том числе и перспективных». Как видим, пока мы успешней справляемся с глобальными задачами.