Et hypersonisk fly ( GZLA ) er et fly (LA), der er i stand til at flyve i atmosfæren med en hypersonisk hastighed (større end eller lig med Mach 5 ) og manøvrere ved hjælp af aerodynamiske kræfter.
Et bevinget fly, der er i stand til denne hastighed, kan glide til meget større afstande end et konventionelt fly, da glidningen bliver "dynamisk".
Opdelingen af fly i "subsonisk", " overlyd " og " hypersonisk " har et ret solidt fysisk grundlag og afspejler essensen af fænomenerne i flyets interaktion med luften: flyvning med hypersonisk hastighed er lige så fundamentalt forskellig fra flyvning kl. supersoniske hastigheder, da sidstnævnte adskiller sig fra flyvning ved subsoniske [1] [2] [3] .
GZLA kan være uden motorer eller udstyret med forskellige typer fremdrivningssystemer [4] : flydende raketmotorer (LPRE), hypersoniske ramjetmotorer (scramjet-motorer) [5] , raketmotorer med fast drivmiddel (RDTT) (samt teoretisk nukleare raketmotorer (NRE) ) og andre), herunder en kombination af sådanne motorer og boostere. Det vil sige, udtrykket "hypersonisk" indebærer enhedens evne til at bevæge sig ved hypersoniske hastigheder i luften ved at bruge både motorer og luft i en eller anden form.
I betragtning af teknologiens potentiale udfører organisationer rundt om i verden forskning i hypersonisk flyvning og udvikling af scramjet . Tilsyneladende vil den første applikation være til guidede militære missiler, fordi dette område kun kræver flytilstand i højdeområdet og ikke acceleration til orbital hastighed. De vigtigste midler til udvikling på dette område går således netop inden for rammerne af militærkontrakter.
Hypersoniske rumsystemer kan eller måske ikke drage fordel af brugen af scramjet- trin . Den specifikke impuls eller effektivitet af en scramjet ligger teoretisk fra 1000 til 4000 sekunder , mens denne værdi for en raket ikke overstiger 470 sekunder i 2009 [6] [7] , hvilket i princippet betyder meget billigere adgang til rummet. Dette tal vil dog falde hurtigt, efterhånden som hastigheden stiger, og der vil også være en forringelse af løft-til-mod- forholdet . Et væsentligt problem er det lille forhold mellem en scramjets fremdrift og dens masse, [8] som er 2, hvilket er omkring 50 gange værre end denne indikator for en raketmotor . Dette opvejes delvist af, at omkostningerne ved at kompensere for tyngdekraften i selve flytilstanden er ubetydelige, men et længere ophold i atmosfæren betyder større aerodynamiske tab.
Et scramjet - drevet passagerfly skulle reducere rejsetiden betydeligt fra et punkt til et andet, hvilket potentielt gør ethvert punkt på Jorden tilgængeligt inden for 90 minutter . Der er dog stadig spørgsmål om, hvorvidt sådanne køretøjer kan bære nok brændstof til at flyve lange nok afstande, og om de kan flyve i tilstrækkelig højde til at undgå de lydeffekter, der er forbundet med supersonisk flyvning. Forbliver også usikre spørgsmål relateret til de samlede omkostninger ved sådanne flyvninger og muligheden for flere brug af køretøjer efter hypersonisk flyvning.
I historien blev GZLA'er implementeret i form af adskillige testfly , ubemandede luftfartøjer og orbitale stadier - rumfly af genanvendelige rumfartøjer (MTKK) . Der eksisterede også og eksisterer stadig et stort antal projekter af køretøjer af disse typer, såvel som rumfartssystemer ( orbitale fly ) med hypersoniske booster- og orbitale stadier eller enkelttrins AKS- rumfartøjer og passagerrumfly.
Et af de første detaljerede projekter i GLA var det urealiserede Zenger -projekt om at skabe en partiel-orbital kamprumbomber " Silbervogel " ( Sølvfugl ) i Nazityskland .
I modsætning til rumfly, på grund af behovet for mere komplekse fremdrift og strukturelle teknologier, når man skaber rumfartøjer, er ingen af rumfartøjsprojekterne blevet implementeret til dato.
I 1960'erne gennemførte USA et program for at udvikle og flyve et eksperimentelt raketfly North American X-15 , som blev det første i historien og i 40 år det eneste GLA-fly til at udføre suborbitale bemandede rumflyvninger . I USA er 13 af hans flyvninger over 80 km, og i verden ( FAI ) - 2 af dem, hvor pladsgrænsen på 100 km blev overskredet, anerkendes som suborbitale bemandede rumflyvninger, og deres deltagere er astronauter .
Lignende programmer i USSR og andre lande.
I begyndelsen af det 21. århundrede begyndte privat rumturisme at udvikle sig , i overensstemmelse med hvilken adskillige projekter af private suborbitale genanvendelige bemandede rumfartøjer med rumfly, der udfører hypersonisk flyvning på op- og nedstigningsbaner, opstod og udvikler sig. I 2004 blev flyvningerne af den første af sådanne enheder SpaceShipOne fra Virgin Galactic - selskabet foretaget. En udvikling af programmet var SpaceShipTwo . Sub-orbital LYNX og andre private køretøjer formodes at være den næste .
Der er også projekter for hypersoniske suborbitale passagerfly (for eksempel SpaceLiner , ZEHST , HEXAFLY-INT ( High-Speed Experimental FLY Vehicles - International, High-Speed Experimental Aircraft ) [9] ) og hurtige militære transportkøretøjer .
I alle bevingede MTKK og AKS udfører deres andet (rumfly) eller eneste (rumskib) trin, der går ind i kredsløb, en hypersonisk flyvning på nedstigningsbanen, og i nogle - i et- eller to-trins systemer med en horisontal opsendelse - også under opstigning.
I 1960'erne og senere, i USA og USSR, eksisterede projekter af orbitale rumfly, men de blev ikke implementeret. X-20 Dyna Soar-projekterne i USA og Lapotok LKS i USSR sørgede for vertikal opsendelse af orbitale fly på konventionelle løfteraketter (LV), som først blev GLA ved hjemkomst. I USSR's urealiserede projekt var AKS Spiral og den øvre fase (acceleratorfly) og orbitalflyene hypersoniske og udførte vandret fælles lancering og separat landing.
I USA i 1980'erne - 2000'erne. der blev udarbejdet et omfattende program på mere end 100 flyvninger af de første i MTKK -rumfærgens historie med et orbitalt rumfly. En lignende, men opsendt på et løftefartøj, USSR-rumflyet Buran lavede kun én flyvning i kredsløb. Det blev forudgået af test-suborbitale og orbitale flyvninger af prototype-rumfly BOR-4 og BOR-5 , også opsendt på løfteraketten.
I 1990'erne og 2000'erne eksisterede projekter af en række genanvendelige rumtransportsystemer og AKS, men blev annulleret til den praktiske gennemførelsesfase: i Rusland - MAKS -rumflyet opsendt fra et konventionelt fly og RAKS- rumfartøjet , i USA - enkelt -etape VentureStar -rumfartøj med lodret opsendelse og horisontal landing og NASP (Rockwell X-30) med horisontal opsendelse og landing, i Frankrig og EU - Hermes -rumflyet opsendt på løftefartøjet , i Japan - HOPE -rumflyet opsendt ved opsendelsen køretøj (dets prototype HIMES fløj i kredsløb ) og to-trins ASSTS med en horisontal opsendelse og landing, i Tyskland - en to-trins Zenger-2 med en horisontal opsendelse og landing, i Storbritannien - et enkelt-trins HOTOL med en horisontal opsendelse og landing, i Indien - et Hyperplane rumfly opsendt på et løftefartøj osv.
I begyndelsen af det 21. århundrede var der et projekt i Rusland, men projektet med et delvist genanvendeligt bevinget rumfartøj Clipper , opsendt på en konventionel løfteraket, blev aflyst.
I USA fortsætter Boeing X-37- projektet med flyvninger i kredsløb om et eksperimentelt rumfly opsendt på et løftefartøj. Projekter er ved at blive udviklet: i Storbritannien - et et-trins AKS-rumfartøj Skylon med en horisontal opsendelse og landing, i Indien - en prototype af et rumfly opsendt på et løftefartøj af et et-trins AKS-rumfartøj RLV / AVATAR med en lodret opsendelse og en horisontal landing, i Kina - et rumfly opsendt på et løftefartøj og dets prototype Shenlong og to-trins MTKK med vandret opsendelse og landing osv.
Projekter af særlige eksperimentelle ubemandede GLA'er udvikles og implementeres for at teste mulighederne for at skabe to- og et-trins genanvendelig transport ACS (rumfly og rumfartøjer) af de næste generationer og avancerede teknologier til raketmotorbygning ( scramjet ) og andre.
Der var ubemandede GLA-projekter bragt til forskellige indledende faser af implementering i USA - Boeing X-43 , Rusland - "Cold" og "Needle" , Tyskland - SHEFEX (prototype rumfly / rumfartøj), Australien - AUSROCK og andre.
Tidligere blev en række projekter udviklet til eksperimentelle og kampkrydstogter (for eksempel X-90 i USSR) og ikke-krydstogt (for eksempel X-45 i USSR) missiler, der når hypersoniske hastigheder.
I 2000'erne fortsatte udviklingen: for eksempel fandt den første test af det amerikanske DARPA Falcon HTV-2 planlægningshypersonisk guidede sprænghoved den 20. april 2010 sted, og den 26. maj 2010 den første test af det amerikanske X-51 Waverider hypersonisk krydsermissil fandt sted . Den 18. november 2011 gennemførte det amerikanske forsvarsministerium den første test af et glidende hypersonisk sprænghoved af et andet AHW -projekt [10] .
I januar 2014 blev det kendt, at Kina testede et WU-14 hypersonisk sprænghoved med hastigheder op til Mach 10 .
I Rusland udvikles og testes Yu-71 (4202) [11] [12] [13] hypersonisk sprænghoved - oprindeligt Sarmat ICBM sprænghovedet , hvilket resulterede i et selvstændigt projekt (hastighed op til Mach 11) [14] . Kinzhal hypersoniske missilsystem , baseret på MIG-31- fly, er et russisk hypersonisk antiskibs-luftfartsmissilsystem, der er blevet sat i prøvebevæbning siden 1. december 2017. Zircon hypersoniske antiskibskrydsermissil er også under udvikling i Rusland .
Fordelen ved et hypersonisk fly som X-30 er elimineringen eller reduktionen af mængden af oxidationsmiddel , der skal transporteres . For eksempel indeholder den eksterne tank på MTKK -rumfærgen ved opsendelsen 616 tons flydende oxygen (oxidationsmiddel) og 103 tons flydende brint ( brændstof ). Selve dette rumfærge-rumfly vejer ikke mere end 104 tons ved landing. Således er 75% af hele strukturen det transporterede oxidationsmiddel. Eliminering af denne ekstra masse burde gøre fartøjet lettere og forhåbentlig øge nyttelastandelen . Sidstnævnte kan betragtes som hovedmålet med at studere scramjet , sammen med udsigten til at reducere omkostningerne ved at levere last til kredsløb.
Men der er visse ulemper:
Lavt tryk-til-vægt-forholdEn raketmotor med flydende drivmiddel (LRE) udmærker sig ved et meget højt trækkraft-til-vægt-forhold (op til 100:1 eller mere), hvilket gør det muligt for raketter at opnå høj ydeevne, når de afleverer last i kredsløb. Tværtimod er forholdet mellem scramjet -kraften og dens masse omkring 2, hvilket betyder en stigning i motorens andel i løfterakettens masse (uden at tage højde for behovet for at reducere denne værdi med mindst fire gange pga. manglen på et oxidationsmiddel). Derudover bestemmer tilstedeværelsen af en lavere hastighedsgrænse for en scramjet-motor og et fald i dens effektivitet med stigende hastighed behovet for at bruge flydende drivstof-raketmotorer på sådanne rumsystemer med alle deres mangler.
Behovet for yderligere motorer for at opnå kredsløbHypersoniske ramjetfly har et teoretisk område af driftshastigheder fra 5-7 Mach op til den første rumhastighed på 25 Mach , men som undersøgelser inden for X-30- projektet har vist , er den øvre grænse sat af muligheden for brændstofforbrænding i forbifarten. luftstrøm og er omkring 17 Mach . Der kræves således et andet yderligere system for jetacceleration i det ikke-operative hastighedsområde. Da den nødvendige forskel i genopfyldning af hastigheder er ubetydelig, og andelen af PN i lanceringen af et hypersonisk fly er stor, er brugen af yderligere raketforstærkere af forskellige typer en fuldstændig acceptabel mulighed. Modstandere af scramjet -forskning hævder, at enhver udsigt til denne type køretøjer kun kan manifestere sig for et-trins rumsystemer. Tilhængere af disse undersøgelser hævder, at varianter af flertrinssystemer, der bruger scramjet -motorer , også er berettigede.
Potentielt skal den nederste del af den termiske beskyttelse af et hypersonisk rumfartøj fordobles for at bringe køretøjet tilbage til overfladen. Brugen af en ablativ belægning kan betyde tab efter kredsløb, aktiv termisk beskyttelse ved brug af brændstof som kølevæske kræver, at motoren fungerer.
Reduktion af mængden af brændstof og oxidationsmiddel i tilfælde af hypersoniske køretøjer betyder en stigning i andelen af omkostningerne ved selve køretøjet i de samlede omkostninger ved systemet. Faktisk kan prisen på et scramjet-drevet fly være meget høj sammenlignet med prisen på brændstof, fordi prisen på rumfartsudstyr er mindst to størrelsesordener højere end for flydende ilt og dets tanke. Køretøjer med scramjet-motorer er således mest berettigede som genanvendelige systemer. Hvorvidt udstyret kan genbruges under de ekstreme forhold ved hypersonisk flyvning er ikke helt klart - alle de hidtil designet systemer har ikke sørget for returnering og genbrug.
De endelige omkostninger ved en sådan enhed er genstand for intens diskussion, for nu er der ingen klar overbevisning om udsigterne for sådanne systemer. For at være økonomisk berettiget skal et hypersonisk køretøj tilsyneladende have en højere nyttelast sammenlignet med en løfteraket med samme affyringsmasse.