A Força Aérea dos EUA testou o X-51A Waverider, que conseguiu ganhar velocidade 5 vezes a velocidade do som, e foi capaz de voar por mais de 3 minutos, estabelecendo um recorde mundial anteriormente detido por desenvolvedores russos. O teste foi bem no geral, as armas hipersônicas estão prontas para correr.
Em 27 de maio de 2010, o X-51A Waverider (traduzido vagamente como um vôo das ondas e em "involuntário" como um surfista) foi lançado de um bombardeiro B-52 sobre o Oceano Pacífico. O booster X-51A, emprestado do conhecido foguete ATCAMS, levou o Waverider a uma altitude de 19,8 mil metros, onde um motor ramjet hipersônico (GPRVD, ou scrumjet) foi ligado. Depois disso, o foguete atingiu uma altura de 21,3 mil metros e atingiu uma velocidade de Mach 5 (5 M - cinco velocidades do som). No total, o motor do foguete funcionou por cerca de 200 segundos, após os quais o X-51A enviou um sinal para se autodestruir em conexão com o início das interrupções de telemetria. De acordo com o plano, o foguete deveria desenvolver uma velocidade de 6 M (de acordo com o projeto, a velocidade do X-51 era de 7 M, ou seja, mais de 8000 km / h), e o motor tinha que trabalhar para 300 segundos.
Os testes não foram perfeitos, mas isso não os impediu de se tornarem uma conquista notável. O tempo de operação do motor excedeu o recorde anterior (77 s) por três vezes, realizado pelo laboratório voador soviético (mais tarde russo) "Kholod". A velocidade de 5M foi alcançada pela primeira vez com combustível de hidrocarboneto convencional, e não com algum hidrogênio "exclusivo". Waverider usou JP-7, um querosene de baixo vapor usado na famosa aeronave de reconhecimento de ultra-alta velocidade SR-71.
O que é um Scrumjet e qual é a essência das conquistas atuais? Em princípio, os motores ramjet (motores ramjet) são muito mais simples do que os motores turbojato (motores turbojato), que são familiares a todos. Um motor ramjet é simplesmente uma entrada de ar (a única parte móvel), uma câmara de combustão e um bico. Nisto ele se compara favoravelmente com as turbinas a jato, onde um ventilador, um compressor e a própria turbina são adicionados a este esquema elementar, inventado em 1913, por esforços combinados para conduzir o ar para a câmara de combustão. Em motores ramjet, essa função é realizada pelo próprio fluxo de ar que se aproxima, o que elimina imediatamente a necessidade de projetos sofisticados operando em um fluxo de gases quentes e outras alegrias caras da vida de um turbojato. Como resultado, os motores ramjet são mais leves, baratos e menos sensíveis a altas temperaturas.
No entanto, a simplicidade tem um preço. Os motores de fluxo direto são ineficazes em velocidades subsônicas (até 500-600 km / h não funcionam) - eles simplesmente não têm oxigênio suficiente e, portanto, precisam de motores adicionais que aceleram o aparelho para velocidades efetivas. Como o volume e a pressão do ar que entra no motor são limitados apenas pelo diâmetro da entrada de ar, é extremamente difícil controlar com eficácia o empuxo do motor. Os motores Ramjet são geralmente "afiados" para uma faixa estreita de velocidades de operação e, fora dela, começam a se comportar de maneira inadequada. Devido a essas deficiências inerentes às velocidades subsônicas e supersônicas moderadas, os motores turbojato superam radicalmente seus concorrentes de fluxo direto.
A situação muda quando a agilidade da aeronave sai da escala por 3 balanços. Em altas velocidades de vôo, o ar é comprimido tanto na entrada do motor que a necessidade de um compressor e outros equipamentos desaparecem - mais precisamente, eles se tornam um obstáculo. Mas a essas velocidades, os motores ramjet supersônicos SPRVD ("ramjet") são ótimos. No entanto, à medida que a velocidade aumenta, os benefícios do "compressor" gratuito (fluxo de ar supersônico) tornam-se um pesadelo para os projetistas de motores.
Em turbojato e SPVRD, o querosene queima a uma taxa de fluxo relativamente baixa - 0,2 M. Isso permite que você obtenha uma boa mistura de ar e querosene injetado e, consequentemente, alta eficiência. Porém, quanto maior a velocidade do fluxo de entrada, mais difícil será frea-lo e maiores serão as perdas associadas a este exercício. A partir de 6 M, o fluxo deve ser reduzido de 25 a 30 vezes. Tudo o que resta é queimar combustível em um fluxo supersônico. É aqui que começam as verdadeiras dificuldades. Quando o ar entra na câmara de combustão a uma velocidade de 2,5-3 mil km / h, o processo de manutenção da combustão torna-se semelhante, nas palavras de um dos desenvolvedores, a "tentar manter um fósforo aceso no meio de um tufão. " Não faz muito tempo, acreditava-se que, no caso do querosene, isso era impossível.
Os problemas dos desenvolvedores de veículos hipersônicos não se limitam de forma alguma à criação de um SCRVD funcional. Eles também precisam superar a chamada barreira térmica. O avião se aquece com o atrito contra o ar, e a intensidade do aquecimento é diretamente proporcional ao quadrado da velocidade do fluxo: se a velocidade dobra, o aquecimento quadruplica. O aquecimento de uma aeronave em vôo em velocidades supersônicas (especialmente em baixas altitudes) às vezes é tão grande que leva à destruição da estrutura e do equipamento.
Ao voar a uma velocidade de 3 M, mesmo na estratosfera, a temperatura das bordas de entrada da entrada de ar e bordas de ataque da asa é mais de 300 graus, e o resto da pele - mais de 200. O dispositivo com uma velocidade de 2-2,5 vezes mais aquecerá 4-6 vezes mais. Ao mesmo tempo, mesmo em temperaturas de cerca de 100 graus, o vidro orgânico amolece, a 150 - a resistência do duralumínio é significativamente reduzida, a 550 - as ligas de titânio perdem as propriedades mecânicas necessárias, e em temperaturas acima de 650 graus, alumínio e magnésio fundem, o aço amolece.
Um alto nível de aquecimento pode ser resolvido por proteção térmica passiva ou por remoção de calor ativa usando as reservas de combustível a bordo como um refrigerador. O problema é que com uma capacidade de "resfriamento" muito decente do querosene - a capacidade de calor deste combustível é apenas a metade da água - ele não tolera bem altas temperaturas, e os volumes de calor que precisam ser "digeridos" são simplesmente monstruoso.
A maneira mais direta de resolver os dois problemas (combustão supersônica e resfriamento) é abandonar o querosene em favor do hidrogênio. Este último com relativa facilidade - em comparação com o querosene, é claro - queima mesmo em um fluxo supersônico. Ao mesmo tempo, o hidrogênio líquido é, por razões óbvias, também um excelente cooler, o que permite não usar proteção térmica massiva e ao mesmo tempo garantir uma temperatura aceitável a bordo. Além disso, o hidrogênio tem três vezes o poder calorífico do querosene. Isso torna possível aumentar o limite de velocidades alcançáveis para até 17 M (máximo com combustível de hidrocarboneto - 8 M) e, ao mesmo tempo, tornar o motor mais compacto.
Não é surpreendente que a maioria das aeronaves hipersônicas recorde anteriores voou precisamente com hidrogênio. O combustível hidrogênio foi utilizado pelo nosso laboratório voador "Kholod", que até agora ocupa o segundo lugar em termos de duração do motor scramjet (77 s). A ele, a NASA deve uma velocidade recorde para veículos a jato: em 2004, a aeronave hipersônica não tripulada NASA X-43A atingiu uma velocidade de 11.265 km / h (ou 9,8 M) a uma altitude de vôo de 33,5 km.
O uso de hidrogênio, entretanto, leva a outros problemas. Um litro de hidrogênio líquido pesa apenas 0,07 kg. Mesmo levando em consideração a "capacidade energética" três vezes maior do hidrogênio, isso significa um aumento de quatro vezes no volume dos tanques de combustível com uma quantidade constante de energia armazenada. Isso resulta no aumento do tamanho e do peso do aparelho como um todo. Além disso, o hidrogênio líquido requer condições operacionais muito específicas - "todos os horrores das tecnologias criogênicas" mais a especificidade do próprio hidrogênio - é extremamente explosivo. Em outras palavras, o hidrogênio é um excelente combustível para veículos experimentais e máquinas de peças, como bombardeiros estratégicos e aeronaves de reconhecimento. Mas, como combustível para armas de massa capazes de se basear em plataformas convencionais, como um bombardeiro ou contratorpedeiro normal, é inadequado.
Mais significativa ainda é a conquista dos criadores do X-51, que conseguiram dispensar o hidrogênio e ao mesmo tempo atingir velocidades impressionantes e indicadores recordes para a duração do voo com um motor ramjet. Parte do recorde se deve a um design aerodinâmico inovador - aquele mesmo vôo das ondas. A estranha aparência angular do aparelho, seu design de aparência selvagem cria um sistema de ondas de choque, são elas, e não o corpo do aparelho, que se tornam a superfície aerodinâmica. Como resultado, a força de elevação surge com interação mínima do fluxo incidente com o próprio corpo e, como resultado, a intensidade de seu aquecimento diminui drasticamente.
O X-51 tem um escudo térmico de carbono-carbono preto de alta temperatura localizado apenas na ponta do nariz e na parte traseira do lado inferior. A parte principal do corpo é coberta por um escudo térmico branco de baixa temperatura, o que indica um modo de aquecimento relativamente suave: e isso ocorre a 6-7 M em camadas bastante densas da atmosfera e mergulhos inevitáveis na troposfera em direção ao alvo.
Em vez de um "monstro" de hidrogênio, os militares americanos adquiriram um dispositivo movido a combustível de aviação prático, que imediatamente o tira do campo da experiência divertida para o reino da aplicação real. Diante de nós não é mais uma demonstração de tecnologia, mas um protótipo de uma nova arma. Se o X-51A passar com sucesso todos os testes, em poucos anos o desenvolvimento de uma versão de combate completa do X-51A +, equipado com o mais moderno enchimento eletrônico, começará.
De acordo com os planos preliminares da Boeing, o X-51A + será equipado com dispositivos para rápida identificação e destruição de alvos em condições de oposição ativa. A capacidade de controlar o veículo usando uma interface JDAM modificada projetada para alvejar munições de alta precisão foi testada com sucesso durante os testes preliminares no ano passado. A aeronave new wave se encaixa bem nas dimensões padrão dos mísseis americanos, ou seja, ela se encaixa com segurança em dispositivos de lançamento vertical a bordo, contêineres de transporte e lançamento de bombardeiros. Observe que o míssil ATCAMS, do qual o estágio de reforço para o Waverider foi emprestado, é uma arma tática operacional usada pelos sistemas de foguetes de lançamento múltiplo MLRS americano.
Assim, em 12 de maio de 2010, sobre o Oceano Pacífico, os Estados Unidos testaram um protótipo de um míssil de cruzeiro hipersônico totalmente prático, a julgar pelo enchimento planejado, projetado para destruir alvos terrestres altamente protegidos (o alcance estimado é de 1.600 km). Talvez, com o tempo, outros de superfície sejam adicionados a eles. Além da tremenda velocidade, tais mísseis terão uma alta capacidade de penetração (aliás, a energia de um corpo acelerado a 7 M é praticamente equivalente a uma carga TNT de mesma massa) e - uma propriedade importante das ondas estaticamente instáveis - a capacidade de manobras muito bruscas.
Esta está longe de ser a única profissão promissora de armas hipersônicas.
No final da década de 1990, relatórios do Grupo Consultivo de Pesquisa e Desenvolvimento Espacial da OTAN (AGARD) observaram que os mísseis hipersônicos deveriam ter as seguintes aplicações:
- derrotar alvos inimigos fortificados (ou enterrados) e alvos terrestres complexos em geral;
- defesa Aérea;
- a conquista da supremacia aérea (tais mísseis podem ser considerados um meio ideal de interceptar alvos aéreos que voam a longas distâncias);
- defesa anti-míssil - interceptação de lançamento de mísseis balísticos na fase inicial da trajetória.
- usar como drones reutilizáveis para atingir alvos terrestres e para reconhecimento.
Finalmente, está claro que os mísseis hipersônicos serão os mais eficazes - senão o único - antídoto contra as armas de ataque hipersônico.
Outra direção no desenvolvimento de armas hipersônicas é a criação de motores scramjet de propelente sólido de pequeno porte montados em projéteis projetados para destruir alvos aéreos (calibres 35-40 mm), bem como veículos blindados e fortificações (ATGMs cinéticos). Em 2007, a Lockheed Martin concluiu os testes de um protótipo de míssil cinético anti-tanque CKEM (Compact Kinetic Energy Missile). Esse míssil a uma distância de 3400 m destruiu com sucesso o tanque soviético T-72, equipado com blindagem reativa aprimorada.
No futuro, projetos ainda mais exóticos podem aparecer, por exemplo, aeronaves transatmosféricas capazes de voos suborbitais em um alcance intercontinental. Manobrar ogivas hipersônicas para mísseis balísticos também é bastante relevante - e no futuro próximo. Em outras palavras, nos próximos 20 anos, os assuntos militares mudarão dramaticamente e as tecnologias hipersônicas se tornarão um dos fatores mais importantes nesta revolução.
