L'aeronautica statunitense ha testato l'X-51A Waverider, che è riuscito a guadagnare una velocità 5 volte superiore a quella del suono ed è stato in grado di volare per più di 3 minuti, stabilendo un record mondiale precedentemente detenuto dagli sviluppatori russi. Il test è andato nel complesso bene, le armi ipersoniche sono pronte a correre.
Il 27 maggio 2010, l'X-51A Waverider (liberamente tradotto come volo d'onda, e in "involontario" come surfista) è stato sganciato da un bombardiere B-52 sull'Oceano Pacifico. Lo stadio booster X-51A, preso in prestito dal noto razzo ATCAMS, ha portato il Waverider a un'altitudine di 19,8 mila metri, dove è stato acceso un motore ramjet ipersonico (GPRVD, o scrumjet). Successivamente, il razzo è salito a un'altezza di 21, 3 mila metri e ha raggiunto una velocità di Mach 5 (5 M - cinque velocità del suono). In totale, il motore a razzo ha funzionato per circa 200 secondi, dopodiché l'X-51A ha inviato un segnale di autodistruzione in relazione allo scoppio delle interruzioni della telemetria. Secondo il piano, il razzo avrebbe dovuto sviluppare una velocità di 6 M (secondo il progetto, la velocità dell'X-51 era di 7 M, cioè oltre 8000 km / h), e il motore doveva funzionare per 300 secondi.
I test non sono stati perfetti, ma questo non ha impedito loro di diventare un risultato eccezionale. Il tempo di funzionamento del motore ha superato di tre volte il record precedente (77 s) detenuto dal laboratorio di volo sovietico (poi russo) "Kholod". La velocità 5M è stata inizialmente raggiunta con il carburante idrocarburico convenzionale e non con alcune "esclusive" come l'idrogeno. Waverider ha utilizzato JP-7, un cherosene a basso vapore utilizzato sul famoso aereo da ricognizione ad altissima velocità SR-71.
Cos'è uno Scrumjet e qual è l'essenza delle attuali realizzazioni? In linea di principio, i motori ramjet (motori ramjet) sono molto più semplici dei motori turbojet (motori turbojet) che sono familiari a tutti. Un motore ramjet è semplicemente una presa d'aria (l'unica parte mobile), una camera di combustione e un ugello. In questo si confronta favorevolmente con le turbine a getto, dove un ventilatore, un compressore e la turbina stessa vengono aggiunti a questo schema elementare, inventato nel 1913, dagli sforzi combinati per spingere l'aria nella camera di combustione. Nei motori a reazione, questa funzione viene eseguita dal flusso d'aria in arrivo stesso, che elimina immediatamente la necessità di progetti sofisticati che operano in un flusso di gas caldi e altre costose gioie della vita del turboreattore. Di conseguenza, i motori ramjet sono più leggeri, più economici e meno sensibili alle alte temperature.
Tuttavia, la semplicità ha un prezzo. I motori a flusso diretto sono inefficaci a velocità subsoniche (fino a 500-600 km / h non funzionano affatto) - semplicemente non hanno abbastanza ossigeno e quindi hanno bisogno di motori aggiuntivi che accelerano l'apparato a velocità effettive. A causa del fatto che il volume e la pressione dell'aria che entra nel motore sono limitati solo dal diametro della presa d'aria, è estremamente difficile controllare efficacemente la spinta del motore. I motori Ramjet sono solitamente "affilati" per una gamma ristretta di velocità operative e al di fuori di essa iniziano a comportarsi in modo inadeguato. A causa di queste carenze intrinseche a velocità subsoniche e supersoniche moderate, i motori a turbogetto superano radicalmente i loro concorrenti a flusso diretto.
La situazione cambia quando l'agilità dell'aereo va fuori scala per 3 oscillazioni. Ad alte velocità di volo, l'aria viene compressa così tanto nell'ingresso del motore che scompare la necessità di un compressore e altre apparecchiature - più precisamente, diventano un ostacolo. Ma a queste velocità i motori ramjet supersonici SPRVD ("ramjet") si sentono benissimo. Tuttavia, all'aumentare della velocità, i vantaggi del "compressore" gratuito (flusso d'aria supersonico) si trasformano in un incubo per i progettisti di motori.
In turbogetto e SPVRD il cherosene brucia a una portata relativamente bassa - 0,2 M. Ciò consente di ottenere una buona miscelazione di aria e cherosene iniettato e, di conseguenza, un'elevata efficienza. Ma maggiore è la velocità del flusso in entrata, più difficile è frenarlo e maggiori sono le perdite associate a questo esercizio. A partire da 6 M, il flusso deve essere rallentato 25-30 volte. Non resta che bruciare carburante in un flusso supersonico. Qui iniziano le vere difficoltà. Quando l'aria entra nella camera di combustione a una velocità di 2,5-3 mila km / h, il processo di mantenimento della combustione diventa simile, nelle parole di uno degli sviluppatori, a "cercare di mantenere acceso un fiammifero nel mezzo di un tifone. " Non molto tempo fa si credeva che nel caso del cherosene ciò fosse impossibile.
I problemi degli sviluppatori di veicoli ipersonici non sono affatto limitati alla creazione di un SCRVD funzionante. Devono anche superare la cosiddetta barriera termica. L'aereo si riscalda per attrito contro l'aria, e l'intensità del riscaldamento è direttamente proporzionale al quadrato della velocità del flusso: se la velocità raddoppia, allora il riscaldamento aumenta di quattro volte. Il riscaldamento di un aereo in volo a velocità supersoniche (soprattutto a bassa quota) è a volte così forte da portare alla distruzione della struttura e dell'equipaggiamento.
Quando si vola a una velocità di 3 M, anche nella stratosfera, la temperatura dei bordi di ingresso della presa d'aria e dei bordi d'attacco dell'ala è superiore a 300 gradi e il resto della pelle - più di 200. Il dispositivo con una velocità di 2-2,5 volte di più si riscalderà 4-6 volte di più. Allo stesso tempo, anche a temperature di circa 100 gradi, il vetro organico si ammorbidisce, a 150 - la resistenza del duralluminio è significativamente ridotta, a 550 - le leghe di titanio perdono le proprietà meccaniche necessarie e a temperature superiori a 650 gradi, alluminio e magnesio si fondono, l'acciaio si ammorbidisce.
Un elevato livello di riscaldamento può essere risolto sia con la protezione termica passiva, sia con la rimozione attiva del calore utilizzando le riserve di carburante a bordo come refrigeratore. Il problema è che con una capacità di "raffreddamento" molto decente del cherosene - la capacità termica di questo combustibile è solo la metà di quella dell'acqua - non tollera bene le alte temperature e i volumi di calore che devono essere "digeriti" sono semplicemente mostruoso.
Il modo più semplice per risolvere entrambi i problemi (combustione supersonica e raffreddamento) è abbandonare il cherosene a favore dell'idrogeno. Quest'ultimo è relativamente facile - rispetto al cherosene, ovviamente - brucia anche in un flusso supersonico. Allo stesso tempo, l'idrogeno liquido è, per ovvie ragioni, anche un ottimo raffreddatore, che permette di non utilizzare massicce protezioni termiche e allo stesso tempo di garantire una temperatura accettabile a bordo. Inoltre, l'idrogeno ha tre volte il potere calorifico del cherosene. Ciò consente di elevare il limite delle velocità raggiungibili fino a 17 M (massimo su idrocarburi - 8 M) e allo stesso tempo rendere il motore più compatto.
Non sorprende che la maggior parte dei precedenti velivoli ipersonici da record volasse proprio sull'idrogeno. Il carburante a idrogeno è stato utilizzato dal nostro laboratorio volante "Kholod", che finora occupa il secondo posto in termini di durata del motore scramjet (77 s). A lui, la NASA deve una velocità record per i veicoli a reazione: nel 2004, l'aereo ipersonico senza pilota X-43A della NASA ha raggiunto una velocità di 11.265 km / h (o 9,8 M) ad un'altitudine di volo di 33,5 km.
L'uso dell'idrogeno, tuttavia, porta ad altri problemi. Un litro di idrogeno liquido pesa solo 0,07 kg. Anche tenendo conto della "capacità energetica" tre volte maggiore dell'idrogeno, ciò significa un aumento di quattro volte del volume dei serbatoi di carburante con una quantità costante di energia immagazzinata. Ciò si traduce nel gonfiare le dimensioni e il peso dell'apparato nel suo complesso. Inoltre, l'idrogeno liquido richiede condizioni operative molto specifiche - "tutti gli orrori delle tecnologie criogeniche" più la specificità dell'idrogeno stesso - è estremamente esplosivo. In altre parole, l'idrogeno è un ottimo carburante per veicoli sperimentali e macchine a pezzi come bombardieri strategici e aerei da ricognizione. Ma come combustibile per armi di massa in grado di essere basato su piattaforme convenzionali come un normale bombardiere o cacciatorpediniere, non è adatto.
Tanto più significativo è il successo dei creatori dell'X-51, che sono riusciti a fare a meno dell'idrogeno e allo stesso tempo a raggiungere velocità impressionanti e indicatori record per la durata del volo con un motore a reazione. Parte del record è dovuto a un design aerodinamico innovativo, proprio il volo sulle onde. Lo strano aspetto angolare dell'apparato, il suo design dall'aspetto selvaggio crea un sistema di onde d'urto, sono loro, e non il corpo dell'apparato, a diventare la superficie aerodinamica. Di conseguenza, la forza di sollevamento si verifica con una minima interazione del flusso incidente con il corpo stesso e, di conseguenza, l'intensità del suo riscaldamento diminuisce drasticamente.
L'X-51 ha uno scudo termico ad alta temperatura nero carbonio-carbonio situato solo sulla punta estrema del naso e nella parte posteriore della parte inferiore. La parte principale del corpo è ricoperta da uno scudo termico bianco a bassa temperatura, che indica una modalità di riscaldamento relativamente delicata: e questo è a 6-7 M in strati abbastanza densi dell'atmosfera e inevitabili tuffi nella troposfera verso il bersaglio.
Invece di un "mostro" di idrogeno, l'esercito americano ha acquisito un dispositivo alimentato da pratico carburante per aviazione, che lo porta immediatamente fuori dal campo dell'esperimento divertente nel regno dell'applicazione reale. Davanti a noi non c'è più una dimostrazione di tecnologia, ma un prototipo di una nuova arma. Se l'X-51A supererà con successo tutti i test, tra pochi anni inizierà lo sviluppo di una versione da combattimento a tutti gli effetti dell'X-51A +, dotata del più moderno riempimento elettronico.
Secondo i piani preliminari di Boeing, X-51A+ sarà dotato di dispositivi per l'identificazione rapida e la distruzione dei bersagli in condizioni di opposizione attiva. La capacità di controllare il veicolo utilizzando un'interfaccia JDAM modificata progettata per prendere di mira munizioni ad alta precisione è stata testata con successo durante i test preliminari dello scorso anno. Il velivolo new wave si adatta bene alle dimensioni standard per i missili americani, ovvero si inserisce in modo sicuro nei dispositivi di lancio verticale a bordo delle navi, nei contenitori di lancio per il trasporto e nelle baie dei bombardieri. Si noti che il missile ATCAMS, da cui è stato preso in prestito lo stadio booster per il Waverider, è un'arma operativa-tattica utilizzata dai sistemi di lancio multiplo MLRS americani.
Così, il 12 maggio 2010, sull'Oceano Pacifico, gli Stati Uniti hanno testato un prototipo di un missile da crociera ipersonico completamente pratico, a giudicare dal riempimento pianificato, progettato per distruggere bersagli terrestri altamente protetti (la portata stimata è di 1600 km). Forse, nel tempo, verranno aggiunti quelli di superficie. Oltre all'enorme velocità, tali missili avranno un'elevata capacità di penetrazione (a proposito, l'energia di un corpo accelerato a 7 M è praticamente equivalente a una carica di TNT della stessa massa) e - un'importante proprietà delle onde staticamente instabili - la capacità di manovre molto brusche.
Questa è tutt'altro che l'unica professione promettente di armi ipersoniche.
Alla fine degli anni '90, i rapporti del Gruppo consultivo per la ricerca e lo sviluppo spaziale della NATO (AGARD) rilevavano che i missili ipersonici avrebbero dovuto avere le seguenti applicazioni:
- sconfiggere bersagli nemici fortificati (o interrati) e complessi bersagli terrestri in genere;
- difesa aerea;
- la conquista della supremazia aerea (tali missili possono essere considerati un mezzo ideale per intercettare bersagli aerei ad alta quota a lunghe distanze);
- difesa antimissilistica - intercettazione del lancio di missili balistici nella fase iniziale della traiettoria.
- utilizzare come droni riutilizzabili sia per colpire bersagli a terra che per ricognizione.
Infine, è chiaro che i missili ipersonici saranno l'antidoto più efficace, se non l'unico, contro le armi d'attacco ipersoniche.
Un'altra direzione nello sviluppo di armi ipersoniche è la creazione di motori scramjet a propellente solido di piccole dimensioni montati in proiettili progettati per distruggere bersagli aerei (calibro 35-40 mm), nonché veicoli corazzati e fortificazioni (ATGM cinetici). Nel 2007, Lockheed Martin ha completato i test di un prototipo di missile anticarro cinetico CKEM (Compact Kinetic Energy Missile). Un tale missile a una distanza di 3400 m distrusse con successo il carro armato sovietico T-72, dotato di un'armatura reattiva migliorata.
In futuro, potrebbero apparire progetti ancora più esotici, ad esempio aerei transatmosferici in grado di effettuare voli suborbitali a una distanza intercontinentale. Anche la manovra di testate ipersoniche per missili balistici è abbastanza rilevante - e nel prossimo futuro. In altre parole, nei prossimi 20 anni gli affari militari cambieranno drasticamente e le tecnologie ipersoniche diventeranno uno dei fattori più importanti di questa rivoluzione.
