Исследования, проводимые в США в области создания гиперзвуковых летательных аппаратов

Е. Кондратюк

В данной статье представлен обзор основных программ и НИОКР США по разработке гиперзвуковых летательных аппаратов, в том числе проводимых в рамках концепции «быстрого глобального удара» (Prompt Global Strike - PGS). Дана также оценка финансирования крупнейших программ и названы ведущие организации, участвующие в них.

Концепция «быстрого глобального удара». Работы по созданию гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЛА) ведутся в США с 1960-х годов. В настоящее время здесь имеется обширная научно-исследовательская и опытно-конструкторская база в этой области. В стране постоянно проводятся мероприятия по улучшению качественных показателей боеготовности и оперативности ВВС путем разработки новых систем ВВТ, в том числе и гиперзвуковых.

Так, с целью исследования возможностей гиперзвукового полета министерство обороны США и Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) сформировали «Национальную стратегию в области гиперзвуковых скоростей» (National Hypersonics Strategy), утвержденную в 2001 году, а руководство МО, кроме того, в 2008 году разработало и представило концепцию «быстрого глобального удара»

Концепцией PGS предусматривается разработка систем, позволяющих нанести высокоточный неядерный удар по любой точке земного шара в течение 1 ч по аналогии с нанесением классического ядерного удара межконтинентальными баллистическими ракетами (МБР). Одной из важнейших составляющих данных систем считается стратегическое гиперзвуковое оружие.

Планируется разработать ГЛА, в том числе воздушного базирования (например, гиперзвуковые крылатые ракеты - ГКР).

Гиперзвуковые летательные аппараты, выполняющие полет в диапазоне высот от 35-40 до 100-120 км и скоростей, соответствующих числам от М=5 до М=15-20, будут обладать высокими боевыми возможностями (главным образом за счет малого подлетного времени до цели), универсальностью применения и низкой уязвимостью для современных средств ПВО и ПРО.

В 2011 году руководство ВВС США представило новый план по разработке сверх- и гиперзвуковых ЛА, раскрывающий основные положения по созданию высокоскоростных ЛА до 2030 года. В соответствии с ним к 2030 году предполагается разработка и создание семейства ГЛА как малых, так и больших размеров, предназначенных для решения различных задач: от поражения критических по времени целей (мобильных ракетных комплексов, передвижных пунктов управления, мобильных РЛС и т. д.) до использования в качестве систем разведки и наблюдения и оперативного вывода КА на околоземную орбиту. При этом, согласно текущим планам Пентагона, к 2024 году вооруженные силы страны будут оснащены полным арсеналом стратегического гиперзвукового оружия в безъядерном исполнении.

В ближайшее время в США завершится утверждение целостного плана («Дорожной карты»), который определит уточненные сроки создания гиперзвукового оружия и гиперзвукового летательного аппарата.

Согласно скорректированному плану, разработка гиперзвукового ударного оружия намечена на 2020 год, тогда как создание ГЛА для ведения наблюдения и разведки, способного прорывать систему ПВО противника и, возможно, пилотируемого, намечено к 2030-му. Чтобы начать полномасштабную разработку гиперзвукового оружия в начале 2018 финансового года планируется достигнуть 6-го уровня технологической готовности (УТГ).

В области гиперзвукового самолета заявлена гораздо менее амбициозная задача -достижение 4-го УТГ к 2020 году. В то же время в министерстве ВВС надеются, что в случае необходимости темпы разработки самолета можно будет ускорить.

Реализация демонстрационной программы высокоскоростного ударного оружия HSSW (High-Speed Strike Weapon) начнется примерно в марте-июне 2013-го, а ее завершение запланировано на конец второго 10-летия с проведением боевых испытаний.

«Мы попробуем начать испытательные полеты (с гииерзвуковым оружием на борту) с 2017 года, и если они будут успешными, то продолжатся в 2018 и 2019 годах, - сообщил представитель ВВС США. Он добавил, что планом предусматривается проведение «от шести до семи полетов». Главной задачей при выполнении испытательных полетов будет повышение надежности различных технологических компонентов оружия - от системы управления до двигательной установки. Цель демонстрационной программы состоит в нанесении успешных ударов по целям на дальности «до нескольких сотен километров», - заявляют специалисты ВВС.

«Мы должны продемонстрировать точность стрельбы, а также показать работоспособность оружия совместно с существующими самолетными системами, возможность его установки во внутренних бомбоотсеках бомбардировщиков и на внешних подвесках истребителей. Оно также должно обладать возможностью сетевого применения и иметь различные поражающие факторы», - отмечают в ВВС.

«Для достижения поставленных целей мы отрабатываем передовые системы наведения, боевые части селективного действия, а также концепции эффективной высокоскоростной двигательной установки длительного действия. Высокоскоростное оружие должно быть легким и недорогим. Его стоимость должна превышать стоимость дозвукового оружия не более чем в 2 раза. Стоимость выполнения задачи должна быть доступной. Идея состоит в том, чтобы применять гиперзвуковое оружие там, где это целесообразно. В противном случае гиперзвук не является оптимальным вариантом», - сообщили представители ВВС.

Американские специалисты практически определились с ключевыми требованиями к гиперзвуковому авиационному разведывательно-ударному комплексу (ГАРУК). Более детально они будут изложены в «Дорожной карте» разработки гиперзвуковых технологий, формирование которой завершается в стране. Согласно требованиям министерства ВВС, ГАРУК должен обладать возможностью выживания в течение суток «без космической поддержки» - коммуникационных и навигационных спутников - и быть способным проникать в запретные зоны. Он будет оснащаться турбинным двигателем комбинированного типа ТВСС (Turbine-Based Combined Cycle), совершать крейсерский полет на скорости М = 5 и выполнять взлет с обычной взлетно-посадочной полосы.

Разработка самолета станет значительным шагом вперед в области создания гиперзвуковых технологий и характеризоваться более высоким уровнем риска по сравнению с обычным оружием, считают в ВВС. Поэтому данная программа имеет гораздо более длительные сроки реализации и намного дороже.

Для определения технологических проблем, которые необходимо решать, проводился анализ выполнения высокоскоростных задач. Наряду с изучением новых концепций и видов ЛА выбиралась желаемая скорость. «Все исследования вели нас в направлении числа М=5 и выше. Мы начали выяснять, какие технологии необходимы, чтобы реализовать такую скорость», - сказали в ВВС.

Формируемый целостный план предусматривает демонстрацию системы переключения газотурбинного двигателя на двухмодульный режим ПВРД/ГПВРД в 2020 году. «Очень важно преодолеть переходный режим, - говорят специалисты. - При этом необходимо исследовать возможность использования коммерческих серийных газотурбинных двигателей».

Испытания будут проводиться на модели но, вероятно, с объемом топлива полной или половинной мощности. Эта опытная модель станет технологическим стендом для отработки других систем, например композиционных конструкций с керамической матрицей, технологии регулирования мощности и теплорегулирования, датчиков. Недавно в число задач технологических испытаний была включена герметизация сопла. «На примере Х-51А мы видели, что серьезной проблемой является уплотнение скоростного потока в канале гиперзвукового двигателя», - отметил один из американских специалистов.
Основные программы США по разработке ГЛА. Стоит выделить ряд крупных программ по разработке ГЛА, проводимых в течение последних 20 лет (табл. 1). Среди них особое значение руководство МО США придает двум долгосрочным программам в рамках «Национальной стратегии в области гиперзвуковых скоростей» и концепции «быстрого глобального удара»: SED-WR (Scramjet Engine Demonstrator-Wave Rider) по созданию гиперзвукового летательного аппарата Х-51А и FALCON (Force Application and Launch from the CONtinental United States) по разработке серии ГЛА HTV (Hypersonic Technology Vehicle) и HCV (Hypersonic Cruise Vehicle).

В США с 2004 года начали активно проводиться наземные и воздушные испытания ГЛА и гиперзвуковых прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ГПВРД). В частности, успешно завершились испытания ГЛА Х-43А (в марте и ноябре 2004 года), ГПВРД SJX-61 компании «Пратт энд Уитни» гиперзвуковой крылатой ракеты Х-51А (весной 2007 года) и собственно ГКР Х-51А (в декабре 2009-го и мае 2010-го). Но последние два запуска Х-51А (в марте 2011 года и 15 августа 2012-го) по разным причинам прошли неудачно. Четвертый запуск запланирован на середину 2013 года. Также в апреле 2010 года и августе 2011-го проведены испытания еще одного ГЛА - Falcon HTV-2, однако они также не были признаны удачными.

Тем не менее в США, несмотря на ряд неудач, начиная с середины 1990-х годов и по настоящее время отмечаются наибольшие интенсивность и финансирование проводимых НИОКР в области создания ГЛА, многие из которых перешли в стадию практических испытаний.

Основной целью практически всех программ США в этой области является военное применение гиперзвуковых ЛА в рамках вышеуказанной концепции «быстрого глобального удара». Поэтому финансирование большинства подобных программ осуществляется по линии Пентагона: ВВС, ВМС и управления перспективных исследований (DARPA). Однако вполне очевидно, что проводимые исследования и испытания в области создания ГЛА в конечном итоге найдут свое применение и в гражданской сфере деятельности, в частности по линии НАСА, нацеленного на создание многоразовых воздушно-космических систем.

Стоит особо подчеркнуть, что финансирование вышеуказанных программ и проектов осуществляется преимущественно в рамках так называемых программных элементов Шестой главной программы министерства обороны США. При этом зачастую выявить объемы финансирования, направленные на гиперзвуковые исследования по линии ВВС, ВМС и DARPA на программы, приведенные в табл. 1, не представляется возможным ввиду их закрытого характера. Однако анализ открытых источников информации позволил сформировать оценку общего объема финансирования крупнейших программ США по разработке ГЛА.

Организации США, участвующие в исследованиях и разработках ГЛА. Соединенные Штаты являются мировым лидером по количеству задействованных и участвующих как государственных, так и коммерческих организаций в выполнении научно-исследовательских, опытно-конструкторских работ по созданию ГЛА (табл. 2). Данные НИОКР проводятся как в рамках основных программ (HyFly, SED-WR, FALCON, RATTLRS), так и вне их преимущественно на базе научно- и летно-иссле-довательских центров НАСА и ВВС США.

В приведенных организациях отработка ключевых технологий для гиперзвуковых систем предполагает проведение исследований по следующим основным направлениям:

- разработка и испытания опытных образцов ГЛА;

- создание многоразовой «горячей» конструкции, работоспособной в условиях высоких темпов нагрева;

- разработка высоконадежных многоразовых ГПВРД и их компонентов;

- отработка аэротермодинамики многорежимной аэрокосмической техники.

В рамках работ в данной области координацию исследований проводят не только государственные организации (как правило, управление перспективных исследований МО США и НАСА), но и такие крупнейшие мировые коммерческие корпорации как «Боинг», «Локхид-Мартин», «Пратт энд Уитни» и др. со своей мощной производственной базой, а также частные группы, например американский промышленный консорциум в области гиперзвуковых технологий (U.S. Hypersonics Industry Team (HIT).

Данный консорциум состоит из таких компаний, как: «Аэроджет», «Астрокс», «Боинг», «Локхид-Мартин», «МакКинней ассошиэйтс», «Пратт энд Уитни рокет-дайн», «Юниверсал текнолоджи корпо-рэйшн» и Мэрилендский университет.

Согласно замыслу, консорциум HIT обеспечивает высокие темпы и отсутствие дублирования проводимых работ, а также согласованность исследований между компаниями и корпорациями. Кроме того, данная группа обеспечивает двустороннюю связь между научно-исследовательскими организациями и государственными органами (исполнительной, законодательной власти, органами государственного финансирования и др.) с целью создания условий для их эффективной работы.

В настоящее время основные усилия специалистов HIT направлены на разработку ГЛА Х-51 А, который в дальнейшем планируется использовать как управляемую ракету, а также грузовой, а в перспективе и как высокоскоростной разведывательный ЛА. Однако это не единственные направления, в которых планируют использовать разработки по проекту Х-51A Wave Rider.

  Как показывает практика, положительные результаты, полученные при проведении комплекса мероприятий и испытаний по предыдущим программам разработки ГЛА и его составляющих (планер, силовая установка, система тепловой защиты, топливо, система управления и наведения, полезная нагрузка), используются в последующих программах США.

Подобная преемственность позволяет американским специалистам максимально исключить ненужное дублирование проводимых работ, избежать избыточного их финансирования (особенно в условиях бюджетного кризиса в США), а также учесть весь комплекс технических проблем, возникших при разработке и создании опытных образцов гиперзвуковых летательных аппаратов.

Оценка финансирования крупнейших программ США по разработке ГЛА.

Анализ крупнейших программ в области разработки и создания ГЛА за последние 20 лет показывает, что их первоначальная оценка, то есть оценка финансирования программы на момент ее принятия, оказывалась заниженной (табл. 3). При этом к настоящему времени объем израсходованных на каждую действующую программу средств достигает порядка 150-300 млн долларов.

Таким образом, руководство министерства обороны и Национального управления США по аэронавтике и исследованию космического пространства уделяет значительное внимание вопросам, связанным с непрерывным финансированием гиперзвуковых исследований. Во многом благодаря всестороннему финансированию и софинансированию программ американскими учеными и инженерами достигнуты положительные результаты в области создания и проведения наземных (в сверх- и гиперзвуковых аэродинамических трубах), воздушных (на подвеске самолетов-носителей) и летных (непосредственно в полете) испытаний таких ГЛА, как Falcon HTV-1 и HTV-2, Х-43 и Х-51. Данная тенденция позволит руководству МО США с высокой долей вероятности к 2017-2019 годам принять на вооружение первые ГКР Х-51 А.

В настоящее время имеется три основных варианта развития проекта Х-51 А. Первый предполагает дальнейшую работу с существующим демонстрационным образцом гиперзвуковой крылатой ракеты Х-51 А, который запускается со стратегического бомбардировщика В-52Н. Второй вариант предусматривает интеграцию ракеты Х-51А с бомбардировщиком В-2А и тактическим истребителем F-35 «Лайт-нинг-2». Согласно второму варианту ракета будет размещаться во внутренних отсеках самолетов. Третий вариант - создание нового образца ГКР на базе Х-51 А, который также будет размещаться во внутренних отсеках самолетов В-2А и F-35.

Таким образом, анализ проводимых в США научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, а также программ в области гиперзвуковых технологий показывает, что американские специалисты в течение последних лет активно проводят наземные, воздушные и летные испытания гиперзвуковых ЛА и их силовых установок. Несмотря на ряд решенных технологических задач, остаются некоторые технические проблемы, в частности разработка многорежимных ГПВРД, интеграция планера с двигательной установкой и обеспечение теплового баланса как снаружи, так и внутри ГЛА, а также ряд других трудностей (в частности, в области разработки криогенного топлива, системы наведения в условиях сильно ионизируемой окружающей среды и т. д.). Тем не менее, в ближайшие 10 лет на вооружение ВВС США, возможно, начнут поступать первые серийные гиперзвуковые крылатые ракеты.

Зарубежное военное обозрение 2013 №2 с.37-39