Работы по созданию гиперзвуковых летательных аппаратов сейчас в мире ведут 13 стран. Когда-то Россия занимала в этой области лидирующие позиции. Но за пару последних десятилетий технологические преимущества мы - в силу объективных и субъективных причин - растеряли. Научный багаж, впрочем, остался и даже прирос - несколько лет назад в Институте теоретической и прикладной механики им. С.А.Христиановича СО РАН впервые в мире экспериментально изучены механизмы стабилизации ламинарного течения при гиперзвуковых скоростях.
Ламинарно-турбулентный переход в воздушных течениях является одной из основных проблем современной гиперзвуковой аэротермодинамики. Научный доклад “Аэротермодинамика воздушно-космических систем будущего” сделали на недавнем заседании Президиума РАН представители двух институтов - академик В.Фомин из Института теоретической и прикладной механики (ИТПМ) СО РАН и член-корреспондент РАН С.Суржиков из Института проблем механики РАН. Наш собеседник - один из авторов доклада, заместитель председателя Сибирского отделения РАН, директор ИТПМ СО РАН Василий Фомин.
- Гиперзвуковые скорости для такой страны, как наша, где от Москвы до Владивостока лететь 9 часов, жизненно важны, - рассказывает Василий Михайлович. - На данный момент в гиперзвуковой аэротермодинамике существует несколько проблем: обеспечение бесперебойной работы гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ГПВРД), управление ламинарно-турбулентным переходом в воздушных течениях, создание теплозащитных материалов и охлаждение конструкций летательных аппаратов.
Идею гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя с камерой сверхзвукового сгорания независимо друг от друга выдвинули в конце 1950-х годов советский ученый Е.Щетинков и американец А.Ферри, а подтвердили экспериментально эту теорию у нас в ИТПМ в 1978 году, когда впервые в мире была получена реальная тяга ГПВРД. Гиперзвуковые аппараты с воздушно-прямоточным двигателем берут кислород из воздуха - их еще называют “воздуходышащими системами”.
Одна из основных научных проблем - нагрев таких аппаратов. При больших скоростях они нагреваются так же, как и метеориты, сгорающие в атмосфере. Авария “Шаттла”, приведшая к возгоранию аппарата и гибели людей, объясняется именно перегревом обшивки летательного аппарата. В ходе исследований выяснилось, что при ламинарных (спокойных) воздушных течениях аппарат нагревается не так сильно, как при турбулентных. Соответственно, встал вопрос управления этими течениями. Кроме того, эксперименты, проведенные в нашем институте несколько лет назад, подтвердили разработанную москвичами и американцами теорию о том, что вопреки общепринятому мнению о лучшей обтекаемости гладкой поверхности при гиперзвуковых скоростях предпочтительнее пористая поверхность летательных аппаратов.
- Василий Михайлович, мы говорим о перспективах гиперзвуковых полетов. Но почему ранее гражданские сверхзвуковые самолеты постигла столь незавидная участь?
- И Ту-144, и “Конкорд” были очень хорошими, надежными машинами. Мы могли бы летать из Новосибирска в Москву за 2 часа. В прекращении полетов на сверхзвуковых скоростях сыграли роль и субъективные, и объективные факторы. В ходе полета возникал звуковой удар, негативному воздействию которого подвергалось все живое. В результате американцы запретили полеты на сверхзвуковых скоростях над территорией США, и “Конкорд”, перелетев океан, переходил на дозвуковую скорость. В дальнейшем США сделали все, чтобы эти самолеты были сняты с производства. Можно сказать, что американцам не удалось построить свой сверхзвуковой самолет в нужное время.
Наши ученые смогли установить сложную волновую структуру звукового удара - кроме первичных у него есть и вторичные эффекты. Скажем, заходит в аэропорту Нью-Йорка с соблюдением всех звуковых требований на посадку “Конкорд”, а в Бостоне дрожат стекла! Мы и сейчас занимаемся проблемами управления звуковым ударом с чисто научной точки зрения. Причем вторичные эффекты звукового удара очень сложны для численного моделирования. “Боинг”, кстати, проводил эксперименты на одном из самолетов Ту-144, но и на нем снизить звуковой удар до допустимых норм не смог.
В ИТПМ для подобных экспериментов используют уникальные установки собственного производства - аэродинамические трубы. На данный момент рассматривается несколько методов снижения звукового удара. Уменьшить его можно, меняя форму звуковой волны: за счет новых конфигураций носовой части самолета либо современными активными методами - управляя обтеканием воздушных потоков. Ученые также проводят эксперименты по криогенному воздействию на носовую часть летательного аппарата.
Пока технология преодоления звукового удара, которую уже можно взять на вооружение, не разработана. Согласно теории, убрать звуковой удар нельзя, но инженеры готовы снизить его до экологически допустимых норм. Здесь решающее слово должны сказать ученые: будет выяснено, какой звуковой удар (диапазон перепадов давления) допустим, поскольку не наносит вреда живым организмам, тогда можно запускать в производство сверхзвуковой самолет определенных размеров и определенной конфигурации. В ближайшее время появятся административные гиперзвуковые самолеты на 25-30 мест, поскольку звуковой удар от небольших самолетов незначителен. Так, в ОКБ Сухого при участии нашего института разрабатывают административный сверхзвуковой самолет Су-21, звуковой удар при полете которого будет ниже, чем у “Конкорда” в три-четыре раза.
“Конкорды” и Ту-144 летали на высоте 10-15 километров, а если подняться на высоту более 20 километров, то звукового удара уже не будет. Однако здесь возникают другие проблемы: тепловые нагрузки на летательный аппарат при такой скорости - 4-8 Махов и выше (1 Мах=1200 км/ч) становятся очень большими. Температурная напряженность такого самолета будет в 50 раз выше, чем у тех, на которых мы привыкли летать. Конечно, из Москвы в Нью-Йорк можно будет добраться за час, однако в течение этого часа летательный аппарат должен выдерживать температуру порядка 3 тысяч градусов. Должны быть созданы принципиально новые материалы, которые справятся с такими тепловыми нагрузками (сейчас “потолок” - 1100 градусов, некоторые уникальные материалы держат 1800). Здесь необходимо сотрудничество представителей разных наук. Или нужно думать, как охлаждать летательный аппарат.
- Словом, пока в области гиперзвуковых летательных аппаратов решаются чисто научные проблемы, до конкретных технологий еще далеко?
- Не совсем так. В последние годы американцы провели три удачных полета на демонстраторах - небольших беспилотных летательных аппаратах. У них в этой области существует мощная конкуренция - проблемой занимались три разных ведомства, поэтому запускали три разных демонстратора. Поскольку ГПВРД начинает работать со скоростей в 3 Маха, летательный аппарат надо разогнать до этой скорости. В одном случае демонстратор сбрасывали с B-52, в другом - использовали разгонный блок ракеты “Пегас”. Во втором полете прямоточный реактивный двигатель работал в течение 10 секунд, затем следовало 10-минутное планерное снижение. В третьем полете был установлен рекорд скорости почти в 12 тысяч км/ч (Мах 9,8). В ближайшее время запланированы полетные испытания и в МКБ “Радуга”. Правда, все эти летательные аппараты предназначены в основном для военных целей. Для гражданского гиперзвука, если честно, еще далеко. Чтобы оправдать расходы на гражданский гиперзвуковой самолет, нужно построить 200-250 машин, а не 5-6, как было в случае с “Конкордом”
и Ту-144.
- Каковы задачи в области гиперзвуковых технологий на ближайшую перспективу?
- Нужно проверять результаты расчетов и экспериментов во время летных испытаний демонстраторов, одновременно получая экспериментальные данные для фундаментальной физико-химической механики. В частности, ИТПМ в ближайшие годы сконцентрирует усилия на управлении воздушными течениями около гипер-звуковых аппаратов будущего, экспериментах с использованием гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя.
Например, если к реактивному ракетному двигателю добавить ГПВРД, ракета полетит дальше и быстрее. Для проверки всех этих теорий в нашем институте существует хорошая экспериментальная база - комплекс аэродинамических труб для исследований аэрокосмических проблем в диапазоне скоростей от малых дозвуковых до космических. В самые тяжелые для российской науки 1990-е годы усилиями четырех институтов - Института теоретической и прикладной механики, Института гидродинамики, КТИ гидроимпульсной техники СО РАН и ЦАГИ - была создана гиперзвуковая аэродинамическая труба адиабатического сжатия АТ-303. К настоящему моменту проведено более 2700 рабочих пусков трубы.
У немцев, американцев, австралийцев и японцев в аэродинамических трубах используется другой подход: воздух сжимают поршнем. Поэтому их трубы места занимают много, а время испытаний заметно короче. В связи с этим они часто перепроверяют результаты испытаний у нас. Вот почему, кстати, уникальное оборудование нам нужно создавать самим. Мы сейчас строим на замену АТ-303 более современную аэродинамическую трубу АТ-304. Прорабатывается технический проект новой установки, начато изготовление отдельных узлов на опытном заводе. Из-за отсутствия средств дело продвигается медленно, но мы знаем: по своим техническим характеристикам эта установка непременно займет ведущее место в мире, обеспечивая испытания перспективных летательных аппаратов на 30-50 лет вперед.
P.S.: 5 ноября 2010 года академику Василию Фомину исполняется 70 лет. Редакция “Поиска” сердечно поздравляет юбиляра и желает ему новых научных достижений!