Что означает «Гиперзвуковая скорость»
Скорость полёта выше пяти чисел Маха, при которой обтекание сопровождается сильным нагревом и химическими превращениями воздуха.
- Граница
- M > 5 (около 6 000 км/ч на высоте)
- Нагрев
- свыше 1 000 °C на кромках
- Двигатели
- ГПВРД, ракетные
- Рекорд пилотируемого
- X-15, M 6,7
Чем гиперзвук отличается от сверхзвука
Формально граница гиперзвука лежит около пятикратной скорости звука, но физически её определяют не число, а явления. При таких скоростях ударные волны плотно прижимаются к поверхности, толщина ударного слоя уменьшается, а воздух за скачком нагревается до тысяч градусов. Молекулы кислорода и азота диссоциируют, воздух ионизируется, и модель идеального газа перестаёт работать. Нужны расчёты с учётом химической кинетики.
Нагрев определяет облик гиперзвуковых аппаратов. Кромки и носовая часть подвергаются тепловым потокам, во много раз превосходящим те, что испытывают сверхзвуковые самолёты, поэтому применяют абляционные покрытия, жаропрочные сплавы, углерод-углеродные композиты и активное охлаждение топливом.
Двигатели для гиперзвука
Турбореактивный двигатель не работает при числах Маха выше 3,5: температура на входе в компрессор превышает допустимую. Прямоточный воздушно-реактивный двигатель сжимает воздух скоростным напором и эффективен в диапазоне М 2–5. Выше применяют гиперзвуковой прямоточный двигатель (ГПВРД), в котором горение идёт в сверхзвуковом потоке. Он не имеет подвижных частей, но запускается только на высокой скорости, поэтому аппарат сначала разгоняют ракетным ускорителем или самолётом-носителем.
| Тип | Рабочие числа Маха |
|---|---|
| Турбореактивный | 0–3,5 |
| ПВРД | 2–5 |
| ГПВРД | 5–15 (расчётно) |
| Ракетный | любые, включая вакуум |
Рекорды и испытательные аппараты
Абсолютный рекорд скорости пилотируемого самолёта принадлежит ракетоплану North American X-15: в октябре 1967 года Уильям Найт достиг 7 274 км/ч, или M 6,7. Позднее были испытаны беспилотные X-43A, который в 2004 году достиг почти М 9,6, и ряд других аппаратов. Свои программы создали США, Россия, Китай, Индия и Австралия. Тема гиперзвука привлекает военных из-за скорости и манёвренности, а также исследователей космических транспортных систем.
Гиперзвуковые аппараты не являются автоматически «ракетами». Планирующие гиперзвуковые блоки и аппараты с ГПВРД летят в атмосфере и могут маневрировать, что отличает их от баллистических траекторий.
Трудности проектирования
Сложностей несколько: тепловая защита, управляемость на высоких числах Маха, сверхзвуковое горение, измерения в аэродинамических трубах, которые способны воспроизводить условия ненадолго и в малом масштабе. Поэтому гиперзвуковые программы редко проходят без катастроф и перезапусков, и в гражданской авиации до практических рейсов на таких скоростях ещё далеко.