Гиперзвук – это реальность

Исследования перспектив развития высокоскоростных летательных аппаратов различного назначения показали, что наиболее эффективными двигателями, работающими в атмосфере Земли на разгонном и маршевом участках траектории полета с числами М > 4, являются гиперзвуковые прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ГПВРД). В последние годы были проведены испытания гиперзвуковой летающей лаборатории (ГЛЛ) "Холод", доказавшие в летном эксперименте возможность устойчивой работы таких двигателей. Тураевское МКБ "Союз" принимало непосредственное участие в первых исследованиях ГПВРД на этой ГЛЛ. В настоящее время в ТКМБ "Союз" ведутся работы и над другими конструкциями ГПВРД.

Проведенные расчетно-теоретические и экспериментальные исследования для конкретных режимов и условий полета перспективных летательных аппаратов (ЛА) позволили определить облик ГПВРД, его рациональные геометрические и массовые параметры, а также достигаемые высотно-скоростные и тягово-экономические характеристики. В отличие от осесимметричного двигателя ГЛЛ "Холод" исследовались ГПВРД плоской конфигурации, обеспечивающие высокую интеграцию с корпусом ЛА.
В экспериментах использовались модели без горения ("холодные") и с горением. На "холодных" отрабатывались воздухозаборные устройства и их взаимодействие с камерой сгорания. На моделях с горением исследовался рабочий процесс в камере сгорания и его влияние на работу воздухозаборника. В качестве топлива в камерах сгорания применялся или водород, или жидкое углеводородное топливо (керосин), или их сочетание. При этом имелось в виду, что для ЛА, эксплуатируемых на скоростях полета, соответствующих числам М < 7, рационально использовать керосин, а числам М > 6 - водород.
В качестве конструкционных материалов в моделях камер сгорания и воздухозаборников применялись жаростойкие порошковые сплавы, разработанные в ЦНИИчермет им. И.П. Бардина и НТЦ "Материалы и технологии". Эти сплавы не требуют специальных защитных покрытий и способны работать при 1200...1600 °С.

Экспериментальные образцы ГПВРД, конструктивно объединяющие воздухозаборник, камеру сгорания и сопло, были детально исследованы на наземных стендах ЦАГИ и ЦИАМ при внешнем обдуве набегающим воздухом. В частности, на наземных стендах были исследованы:

воздухозаборник при числах М = 3...6 и Re = 106; камера сгорания при числах М = 2...2,5 и То = 1100...1930 К на входе; работа камеры сгорания и воздухозаборника в составе модуля при числах М = 5...6,2 и То = 800...1970 К; системы запуска ГПВРД, топливоподачи и распыления топлива.

Основными результатами наземных исследований явились:

подтверждение возможности осуществления устойчивого рабочего процесса в ГПВРД с реализацией сверхзвукового горения топлива в камере сгорания (Мкс = 1,1...1,2); получение устойчивого воспламенения и горения топливовоздушной смеси; доведение полноты сгорания до 0,95 при оптимальных сочетаниях геометрических параметров проточной части ГПВРД и топливовоздушной смеси; сохранение целостности основных элементов ГПВРД на всех режимах.

Вполне естественно, существующая наземная экспериментальная база не в состоянии обеспечить полное моделирование всех условий комплексного воздействия на двигатель аэродинамических и тепловых нагрузок при полете со скоростями, соответствующими числам М > 6. Для проведения дальнейших работ необходимо применение летательных аппаратов - лабораторий, обеспечивающих высоты и скорости полета реального высокоскоростного летательного аппарата. Использование высокоскоростной летающей лаборатории позволит:

отработать запуск ГПВРД и проверить устойчивость рабочего процесса горения топлива в диапазоне чисел М > 6; определить тягово-экономические характеристики ГПВРД при М > 6; оценить тепловое состояние и теплозащиту элементов двигателя; дать сравнительный анализ характеристик воздухозаборного устройства и камеры сгорания, полученных в аэродинамических трубах и в полете, уточнить методы пересчета результатов модельных испытаний на натурные.

Для этих целей ТМКБ "Союз", МКБ "Факел" и ФГУП "ВПК "МАПО" совместно разработали высокоскоростную летающую лабораторию, позволяющую исследовать ГПВРД на режимах с числами М = 2:10. Лаборатория представляет собой экономичный универсальный летно-экспериментальный комплекс, включающий самолет-носитель и гиперзвуковую летающую лабораторию с исследуемым ГПВРД.
Применение самолета-носителя в качестве разгонной ступени для запуска летающей лаборатории позволяет по сравнению с наземным стартом значительно снизить ее стартовую массу благодаря приданию ей начальной скорости М = 2...2,5 и подъему на высоту до 20 км.
В качестве носителя служит надежно зарекомендовавший себя в эксплуатации самолет МиГ-31. Подвеска ГЛЛ осуществляется под фюзеляжем самолета на штатных узлах крепления.
Для получения требуемых чисел М полета ГЛЛ предлагается использовать РДТТ ракеты 40Н6 (разработка МКБ "Факел"), изготовлявшийся в опытном производстве и прошедший летные испытания.
Носовая часть ГЛЛ содержит один или два экспериментальных модуля ГПВРД, размещенных на боковой поверхности корпуса. Такое размещение позволяет добиться максимального подобия работы воздухозаборников в эксперименте и в реальных условиях. В отсеках корпуса ГЛЛ находятся элементы обеспечения работы ГПВРД.
Программа запуска ГЛЛ включает несколько этапов:

Самолет-носитель МиГ-31 с подвешенной ГЛЛ производит разгон в горизонтальном полете на высотах 15...17 км в течение 50...60 с до чисел М = 2,5...2,6, затем переходит в режим полета "горка" с вертикальной перегрузкой ny = 2,5...3. При достижении угла наклона траектории 20...30° осуществляется отделение ГЛЛ. Запуск разгонного ускорителя производится через 3...5 с после отделения от самолета-носителя. Ускоритель работает примерно 25 c и разгоняет ГЛЛ до скорости, соответствующей числу М = 10.

Полет на активном и пассивном участках происходит по баллистической траектории с нулевым углом атаки. Включение исследуемого модуля может производиться на любом участке полета.

Предлагаемый вариант ГЛЛ обеспечивает эксперименты в диапазонах высот H = 15...40 км, скоростей, соответствующих числам М = 1,8...10, и скоростного напора q = 1000...20 000 кгс/м2. Максимальное время работы ГПВРД составляет 40 с.

В настоящее время в ТМКБ "Союз" отработана технология изготовления модулей, изготовлены и сами ГПВРД. Кроме того, имеются в наличии РДТТ 40Н6 и самолет-носитель МиГ-31. Все это позволит с минимальными затратами обеспечить начальный этап исследований ГПВРД на ГЛЛ. По сравнению с существующими концепциями ГЛЛ ("Холод", "Радуга-Д2", "Игла") рассматриваемый вариант, обеспечивающий исследования до чисел М = 10, представляется как наиболее экономичный и реальный. Тураевское МКБ "Союз", МКБ "Факел" и ФГУП "ВПК "МАПО" приглашают к сотрудничеству организации, желающие принять участие в подготовке 
и проведении экспериментов, обработке полученных результатов и последующем их использовании. Свои предложения направлять по адресу:

Геннадий Щепин,

заместитель руководителя ТМКБ "Союз"

Александр Терешин,

ведущий конструктор ТМКБ "Союз",

руководитель темы "Гиперзвуковые технологии"