США начали разработку уникального гиперзвукового беспилотника (ФОТО)

Министерство обороны США в 2011 году обнародовало прогноз, согласно которому количество хорошо защищенных бесполетных зон будет постоянно увеличиваться, затрудняя действия обычной разведывательной и ударной авиации на территории противника. Это означает, что военным понадобятся летательные аппараты, которые смогут быстро и относительно незаметно действовать в таких условиях, перед которыми пасуют существующие самолеты. В начале ноября 2013 года подразделение Skunk Works компании Lockheed Martin объявило о разработке гиперзвукового беспилотника SR-72 ─ он должен будет занять место, освободившееся после списания легендарного самолета-разведчика SR-71 Blackbird.

«Черный дрозд»

В начале 1960-х, в разгар «холодной войны», подразделение Skunk Works американской компании Lockheed (после слияния в 1995 году с Martin Marietta стала называться Lockheed Martin) приступило к созданию нового высокоскоростного самолета-разведчика для Центрального разведывательного управления США. Самолет, получивший обозначение A-12, разрабатывался специально для ведения разведки над территорией СССР, однако после принятия на вооружение в 1963 году для этих задач ни разу не использовался. Во второй половине 1960-х часть A-12 разместили на авиабазе на Окинаве в Японии и использовали для разведки над территорией Северного Вьетнама.

A-12 обладал «острыми» формами и на протяжении всего срока службы практически постоянно дорабатывался. Изначально на самолет были установлены турбореактивные двигатели Pratt & Whitney J75, позволявшие ему развивать скорость до двух чисел Маха (около 2,3 тысячи километров в час) в пикировании. Позднее на него поставили новые турбореактивные двигатели изменяемого цикла Pratt & Whitney J58-P4, благодаря которым самолет смог развить скорость в три числа Маха (однако максимальная допустимая скорость осталась на уровне 2,6 числа Маха). Программа A-12 была закрыта в 1968 году и фактически являлась лишь подготовкой к созданию нового высокоскоростного самолета.

A-12 на экспозиции в Нью-Йорке
Фото: ВВССША

Параллельно с A-12 Skunk Works разрабатывала высокоскоростной стратегический самолет-разведчик под обозначением SR-71. Изначально он создавался на базе разведывательной версии RS-70 сверхзвукового бомбардировщика XB-70 Valkyrie (отсюда и происходит его название ─ SR-71). Однако вскоре после начала работы инженеры Skunk Works пришли к выводу, что платформа A-12 гораздо лучше подходит для достижения высоких скоростей и высоты полета, проведения разведки, рекогносцировки и наблюдения. В основу обновленного проекта было решено положить разведывательный самолет ЦРУ, и в 1964 году SR-71 выполнил первый полет.

Этот самолет, как и A-12, получил аэродинамические «острые» формы фюзеляжа, массивные мотогондолы и элементы конструкции, выполненные из титановых сплавов. Последние ввиду их устойчивости к сильному нагреву применялись при полете на скоростях, близких к трем числам Маха. На скорости более трех тысяч километров в час SR-71 очень быстро нагревался до 400-450 градусов Цельсия. Для охлаждения кабины пилотов использовались кондиционеры, в качестве хладагента в которых применялось авиационное топливо, отбираемое из топливопроводов. После участия в теплообмене оно сразу же поступало в двигатели и сгорало.

Для обеспечения нормального дыхания пилотов на высоте полета более 13 тысяч метров были созданы специальные скафандры полного давления (они равномерно сдавливают тело и грудную клетку, помогая дышать и нормализуя кровообращение). Позднее эти же скафандры использовались при запусках «Шаттлов». SR-71 окрашивался в темно-синий цвет, чтобы не выделяться на фоне ночного неба, из-за чего вскоре получил прозвище Blackbird («Черный дрозд»). При этом самолет стал первым летательным аппаратом, в котором использовались технологии малозаметности: плоский фюзеляж, наклонные кили, радиопоглощающее покрытие и топливная смесь с добавлением цезия для снижения температуры выхлопных газов.

XB-70 Valkyrie
Фото: ВВССША

Однако «фишкой» SR-71 все же были двигатели, позволявшие ему развивать скорость, колоссальную даже по современным меркам. В 1976 году самолет-разведчик установил абсолютный рекорд скорости при полете по прямой ─ 3529,56 километра в час. Секрет крылся в турбореактивных двигателях J58 с изменяемым циклом. По сути, они представляли собой комбинацию обычных турбореактивных двухконтурных двигателей с форсажными камерами и прямоточных воздушно-реактивных двигателей. J58 устанавливались на SR-71 осесимметрично и имели регулируемые воздухозаборники с подвижными в горизонтальной плоскости конусами.

Основную тягу при полете на скоростях до двух чисел Маха обеспечивали турбореактивные двигатели, размещенные внутри прямоточных воздушно-реактивных. В таком режиме большая часть поступающего воздуха проходила через зону компрессоров, сжималась, смешивалась с топливом и поступала в камеру сгорания. Истекающие из камеры сгорания разогретые газы вращали турбину, которая в свою очередь раскручивала входной вентилятор турбореактивного двигателя. По мере увеличения скорости конусы в воздухозаборниках задвигались, постепенно отводя все больше воздуха в обходные каналы прямоточных двигателей, но при этом обеспечивая и минимальный приток в турбореактивный двигатель.

При скорости полета около трех тысяч километров в час и более конусы задвигались практически полностью. При этом большая часть набегающего воздуха сжималась, за счет образования ударных волн нагревалась на внешней части подвижных конусов и, минуя компрессоры, камеру сгорания и турбину, поступала сразу в форсажную камеру, где уже смешивалась с топливом и раскаленными газами из камеры сгорания турбореактивного двигателя. В таком режиме полета, по словам Бена Рича, участвовавшего в проекте SR-71, только десять процентов тяги обеспечивались обычным реактивным двигателем, а 90 процентов ─ прямоточным. На скоростях около трех чисел Маха SR-71 мог летать до исчерпания горючего.

SR-71 Blackbird
Фото: ВВССША

Гибридный двигатель J58 был прорывным по конструкции, но сложным в эксплуатации. Для запуска силовых установок SR-71 на земле использовались машины Wildcat V8, каждая из которых имела два двигателя общей мощностью 600 лошадиных сил. Они раскручивали осевой одновальный компрессор J58 до начала устойчивого турбореактивного цикла. Разогрев входящего воздуха до рабочих температур полета на земле осуществлялся посредством специальных установок с турбореактивными двигателями J75, размещавшихся на некотором расстоянии перед воздухозаборниками. Для начального поджига топлива в камере сгорания на земле использовался триэтилбор, самовоспламеняющийся при температуре воздуха выше минус пяти градусов Цельсия.

Из-за высокой мощности воздухозаборники SR-71 легко втягивали со взлетно-посадочной полосы мелкие предметы, которые могли повредить двигатель. Чтобы избежать этого, на аэродромах базирования SR-71 находились специальные уборочные команды, поддерживавшие взлетные полосы практически в идеально чистом состоянии. Конструкцию двигателя усложняло и наличие компьютера, регулировавшего впрыск топлива в камеру сгорания и форсажную камеру, а также отвечавшего за перемещение конусов в воздухозаборниках по мере роста скорости. Иногда датчики, с которых компьютер снимал показания в полете, отказывали и управлять SR-71 становилось очень непросто.

За все время действия проекта «Черный дрозд» были построены 32 самолета, из них 12 были потеряны, причем по небоевым причинам. До того как в 1998 году SR-71 списали, он принял участие в нескольких боевых заданиях, включая разведывательные полеты над Кольским полуостровом, Кубой, а также Египтом, Сирией и Иорданией в 1973 году во время арабо-израильской войны Судного дня. Кроме того, самолеты регулярно участвовали в исследовательских полетах NASA по программам разработки технологий устойчивого сверхзвукового полета AST и перспективного самолета с крейсерской сверхзвуковой скоростью полета SCAR.

Доступный гиперзвук

Со дня списания SR-71 прошло 15 лет. У ВВССША вновь появилась потребность в высокоскоростных летательных аппаратах, способных в короткое время наносить удары по объектам противника в любой точке земного шара. В 2011 году Пентагон объявил, что на нашей планете становится все больше так называемых зон с ограничением и воспрещением доступа и маневра (anti-access/area denied environment, зоны A2/AD). Под этими ограничениями американские военные понимают не только противодействие систем противовоздушной обороны противника и его авиации и постоянное спутниковое наблюдение, но и условия, в которых поставка запчастей и провизии значительно затруднена или невозможна вовсе.

К условиям A2/AD относится, в том числе, отсутствие американского политического и финансового влияния в регионе. Для работы в таких зонах министерству обороны США необходимы принципиально новые системы нанесения ударов, разведки, рекогносцировки и наблюдения. Создание таких систем предусмотрено долгосрочной программой разработки гиперзвуковых летательных аппаратов и средств поражения, частью которой уже является гиперзвуковая ракета ─ демонстратор технологий X-51A Waverider и проект гиперзвукового аппарата Falcon HTV (во время испытаний в августе 2011 года этот аппарат совершил полет на скорости в 20 чисел Маха, или около 23 тысяч километров в час).

Falcon HTV-2
Изображение: DARPA

В последние годы ВВССША все острее испытывают нехватку летающей разведывательной платформы, которая могла бы заполнить нишу между спутниками, поставляющими разведывательные данные, и дозвуковыми пилотируемыми и беспилотными летательными аппаратами, выполняющими ту же задачу. Причем новая платформа должна быть еще и приспособлена к работе в зонах A2/AD. По неподтвержденным данным, решить эту задачу еще в 2007 году взялось подразделение Skunk Works, приступившее к предварительному проектированию гиперзвукового летательного аппарата SR-72 (в нумерации соблюдена преемственность, как и в случае с SR-71). Долгое время об этом проекте ничего не было известно, однако в начале ноября 2013 года подробности об SR-72 опубликовал журнал Aviation Week & Space Technology.

Некоторые детали проекта журналу раскрыл руководитель гиперзвуковых проектов Skunk Works Брэд Леланд. По его словам, перспективный аппарат, если его разработка будет завершена, по своим размерам окажется сопоставим с SR-71, но сможет развивать вдвое большую скорость ─ до шести чисел Маха. При этом Леланд отметил, что гиперзвуковой полет можно считать своего рода альтернативой малозаметности. «Дело в том, что при подлете на большой высоте и скорости противники просто не смогут перехватить аппарат, подобный нашему. Пока они нас обнаружат и попытаются перехватить, мы уже пролетим», ─ заявил представитель Skunk Works.

Предполагается, что проект SR-72 будет реализован в несколько этапов, но только в том случае, если на него будет выделено государственное финансирование. На первом этапе уже в 2018 году может быть создан пилотируемый демонстратор технологий FRV (Flight Research Vehicle, летающая лаборатория), размер которого будет примерно соответствовать размерам истребителя F-22 Raptor (длина ─18,9 метра, размах крыла ─ 13,56 метра, высота ─ 5,08 метра, площадь крыла ─ 78,04 квадратных метра). На этом демонстраторе будет установлен экспериментальный двигатель, способный на протяжении нескольких минут поддерживать скорость полета около шести чисел Маха.

SR-72
Изображение: Skunk Works

Если все пойдет по графику, летные испытания демонстратора можно будет начать в 2023 году. Вскоре после этого можно будет приступить к испытаниям полноразмерного беспилотного прототипа SR-72, длина которого, как ожидается, составит около 30 метров. Для сравнения, длина SR-71 составляла 32,74 метра, размах крыла ─ 16,94 метра, высота ─ 5,64 метра, а площадь крыла ─ 141,1 квадратных метра. Начало летных испытаний SR-72 будет привязано к разработке и летным испытаниям перспективной гиперзвуковой ракеты HSSW (High-Speed Strike Weapon), создание которой ведется в настоящее время в интересах ВВССША. Программа HSSW предполагает завершение разработки ракеты уже в 2020 году.

По словам Леланда, начало испытаний SR-72 привязано к HSSW потому, что в настоящее время у военных есть масса предубеждений в отношении гиперзвуковых полетов. В частности, министерство обороны США пока что считает гиперзвуковые технологии «дорогостоящими, масштабными и экзотичными». После успешного завершения программы HSSW, уверен Леланд, все эти предубеждения «рассеются» и компании смогут спокойно заниматься разработками гиперзвуковых летательных аппаратов различных классов. Опять-таки, если все пойдет по плану, то существующие технологии позволят Skunk Works создать SR-72 и поставить аппарат на вооружение ВВССША уже к 2030 году.

При этом в компании рассчитывают, что новый гиперзвуковой беспилотный аппарат будет относительно дешев. И хотя основными задачами для него в Skunk Works определили разведку, рекогносцировку и наблюдение, он может быть доработан и для нанесения ударов по объектам противника. Вооруженная гиперзвуковая платформа сможет наносить высокоточные удары еще до того, как противник ее обнаружит и спрячется. Пока же Skunk Works разрабатывает SR-72 и двигатели для него самостоятельно при участии компании Aerojet Rocketdyne. С последней американское предприятие сотрудничает уже семь лет.

HTV-3X Blackswift
Изображение: DARPA

В перспективном гиперзвуковом беспилотном летательном аппарате планируется использовать результаты исследований и разработок в области сверхзвуковых турбореактивных двухконтурных, прямоточных и гиперзвуковых прямоточных воздушно-реактивных двигателей. Будут учтены и наработки, полученные при реализации закрытой в 2009 году программы создания гиперзвукового летательного аппарата HTV-3X Blackswift, способного летать на скоростях до шести чисел Маха. Этот проект был свернут из-за нехватки финансирования.

Гибридная установка

Для реализации гиперзвукового полета на скоростях около шести чисел Маха инженерам Skunk Works и Aerojet Rocketdyne пришлось вступить в борьбу с так называемым «провалом тяги». Речь идет об обеспечении тяги для набора скорости в скоростном промежутке между 2,5 числа Маха, когда обычные турбореактивные двухконтурные двигатели перестают быть эффективными, и четырьмя числами Маха, когда могут начинать работать гиперзвуковые прямоточные воздушно-реактивные двигатели. По словам Леланда, результатом исследований стала технология, которая позволит создать силовую установку, пригодную для разгона SR-72 с нуля до шести чисел Маха без «провала тяги».

Подробности самой технологии Леланд не раскрыл, сославшись на коммерческую тайну. Но в целом суть ее заключается в незначительном расширении скоростных диапазонов работы турбореактивных и гиперзвуковых прямоточных двигателей. В частности, Skunk Works и Aerojet Rocketdyne придумали способ заставить обычные серийные двигатели F100 или F110 (оба типа стоят на истребителях F-15 Eagle и F-16 Fighting Falcon) кратковременно преодолевать скоростной рубеж в 2,5 числа Маха. Одновременно была разработана и технология, позволяющая гиперзвуковому прямоточному воздушно-реактивному двигателю «подхватывать» тягу на скоростях полета до трех чисел Маха.

Все наработанные технологии используют в новых силовых установках перспективного SR-72. По сути, на летательном аппарате будут установлены три двигателя (один турбореактивный и два гиперзвуковых) с общими воздухозаборниками и соплами. Предполагается, что турбореактивный двигатель будет разгонять SR-72 с нуля до трех чисел Маха, после чего за дело будут браться гиперзвуковые двигатели, расположенные осесимметрично под крыльями ближе к фюзеляжу. Они уже будут обеспечивать разгон до шести чисел Маха. И воздухозаборники, и сопла получат подвижные планки, которые будут отвечать за распределение воздушного потока на входе и газовой струи на выходе.

Схема силовых установок комбинированного цикла SR-72
Изображение: Skunk Works

Хотя, по большому счету, гибридизация турбореактивных и гиперзвуковых двигателей не является прорывным достижением (тем более что сама идея была заложена в двигателях J58), сам прорыв, по словам Леланда, во многом заложен в конструкции воздухозаборников. Именно они способны обеспечить стабильную работу всего двигательного комплекса на до-, сверх-, транс- и гиперзвуковых скоростях полета. В SR-72 предполагается использовать и ряд других технологий, которые помогут бороться с перегревом корпуса при гиперзвуковом полете, стабилизировать управление и обеспечить надежный обмен информацией.

Каким именно способом планируется решить сложности со связью и управлением, Skunk Works не раскрывает. Ранее при испытании гиперзвуковых ракет X-51A в полете на гиперзвуковых скоростях наблюдались частые и продолжительные по времени перебои связи. Отчасти они объясняются тем, что на поверхности летательного аппарата образуются потоки плазмы, служащие своего рода экраном для радиосигналов. Но вопрос даже не в технических трудностях ─ они, судя по уверенным рассказам Леланда, вполне преодолимы уже на современном уровне развития технологий. Дело, как ни банально это звучит, в деньгах.

В середине октября 2013 года размер государственного долга США превысил отметку в 17 триллионов долларов. Страна уже ввела множество программ сокращения бюджетных расходов, включая и многомиллиардное урезание расходов военного бюджета. Американские военные объявили о приостановке или закрытии ряда высокорискованных проектов и сообщили, что намерены сосредоточиться на поддержании боевой мощи вооруженных сил на нынешнем уровне. В таких условиях американским компаниям будет очень сложно выбивать финансирование на разработку технически сложных прорывных технологий.

Василий Сычев

Опубліковано на сайті: 2013-11-24