«Аэрокосмическая техника» 1991 №1, сс.88-90
1) Aerospace America, 1990, No. 7, pp. 28 — 30. Перевод С. Е. Якуша.
© American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc., 1990. Все права сохраняются.
2) Руководитель отдела международного бизнеса фирмы United Technologies.
3) Руководитель проектно-конструкторских работ в Отделе химических систем фирмы United Technologies.
К началу 1990 г. во всем мире на вооружении находилось шесть типов ракет, оснащенных ракетно — прямоточными (включая комбинированные ракетно — прямоточные) двигателями. В их числе — две ракеты первого поколения: британская "Бладхаунд" и ее китайский вариант, получивший название HY-3/C101. Конструкция этих ракет весьма схожа: два двигателя расположены на выносных пилонах в хвостовой части корпуса ракеты, в котором размещены система управления, боеголовка и твердотопливный ракетный двигатель для ускорения ракеты до скоростей, при которых начинает функционировать ПВРД (в ракетах "Бладхаунд" и HY-3 для этих целей использован сбрасываемый РДТТ). Ракеты с ПВРД имеют весьма большой вес и габариты и могут использоваться лишь в качестве ракет класса "земля — воздух". Одна из таких ракет, получившая название "Бомарк", была разработана и принята на вооружение в США; эта ракета была снята с вооружения более 20 лет назад. Британская ракета "Бладхаунд" находится на вооружении вот уже четвертый десяток лет. Интересно, что ракета китайского производства HY-3 по конструкции и характеристикам относится к ракетам первого поколения, хотя создана и принята на вооружение она была уже в 80-х годах.
Две ракеты с ПВРД второго поколения, британская "Си Дарт" и советская SA — 4, были приняты на вооружение в 60-х годах. Характерная конструктивная особенность этих ракет — наличие кольцевого воздухозаборника в носовой части корпуса, а также твердотопливного двигателя, расположенного в хвостовой части ракеты последовательно с маршевым и сбрасываемого после достижения ракетой скорости, необходимой для запуска ПВРД. Ракеты второго поколения обладали меньшей массой и габаритами, чем их предшественники, тем не менее они также были пригодны для использования лишь в качестве ракет класса "земля — воздух". Ракеты "Си Дарт", находящиеся на вооружении британской армии, оказались весьма эффективными в боевых действиях против аргентинских самолетов во время фолклендского кризиса. Эти ракеты продемонстрировали высокую надежность, несмотря на весьма холодные климатические условия в районе Фолклендских островов, а также несмотря на то, что с момента их производства до старта прошло несколько лет. В США в свое время также была принята на вооружение ракета с прямоточным двигателем второго поколения — "Нэви Тэйлос"; как и "Бомарк", эта ракета сейчас уже с вооружения снята.
Наконец, в число шести ракет с ПВРД, использовавшихся в качестве боевых, входят две ракеты третьего поколения. Они снабжены комбинированными ракетно-прямоточными двигателями твердого топлива4) (РПДТ), у которых твердотопливный ускоритель расположен в камере сгорания ПВРД. Создание такого РПДТ, получившего название IRR (Integral Rocket Ramjet), потребовало разработки системы перекрытия канала воздухозаборника во время работы тракта РДТТ, а также создания сбрасываемого сопла твердотопливного ускорителя, обеспечивающего высокое давление в камере сгорания, разработки специальной системы отключения тракта РДТТ и включения тракта ПВРД. Функционально более сложные, чем их предшественники первого и второго поколений, РПДТ имеют меньшую массу и габариты, поэтому такие двигатели впервые удалось установить на ракетах, запускаемых с воздуха. Первой ракетой с прямоточным двигателем третьего поколения (РПДТ) стала советская SA — 6 с четырьмя кольцевыми воздухозаборниками в хвостовой части. Эта ракета была принята на вооружение в начале 70-х годов. Впервые она была применена в боевых условиях арабскими вооруженными силами во время войны с Израилем в 1973 г. Ракета оказалась столь эффективной для борьбы с летящими на малых высотах израильскими самолетами, что израильское командование было вынуждено прямо в ходе боевых действий менять тактику использования своих военно-воздушных сил.
4) Здесь используется терминология, принятая в книге "Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей" под ред. С.М. Шляхтенко, М.: Машиностроение, 1987. — Прим. ред.
Франция стала первой в мире страной, создавшей комбинированный ракетно-прямоточный двигатель жидкого топлива (РПДЖ). Ракеты с таким двигателем класса "воздух — земля" ASMP (Аег Sol Moyenne Porte) были приняты на вооружение в начале 80 — х гг. Ракеты ASMP обладает значительно лучшими характеристиками по сравнению с ракетами тех же размеров и массы других стран. Это первая ракета с ПВРД, предназначенная для запуска с самолета для нанесения ударов по наземным целям. В двигатель ракеты ASMP имеет два воздухозаборника прямоугольного сечения, расположенные в хвостовой части корпуса. Дальность такой ракеты на 300 — 400% выше, чем у ракет, оснащенных твердотопливными двигателями тех же габаритов.
Тот факт, что в настоящее время на вооружении различных стран находится всего шесть типов ракет с прямоточными двигателями, вызывает определенное недоумение, поскольку эти ракеты уже наглядно продемонстрировали высокие эксплуатационные характеристики и надежность. В частности, они оказались весьма эффективными во всех случаях их боевого использования. Опыт применения британских ракет "Си Дарт" показал, что ракеты с ПВРД могут храниться в течение нескольких лет в полевых условиях и после этого остаются надежными даже при запуске в плохую погоду.
В настоящее время наблюдается чрезвычайно быстрый рост интереса к ракетам, снабженным прямоточными воздушно-реактивными и комбинированными ракетно-прямоточными двигателями: сразу несколько силовых установок этого типа находятся в стадии разработки. В 70-х гг. в США были весьма успешно реализованы две программы летных испытаний РПДЖ: ALVRJ (Advanced Low Volume Ramjet), проведенная ВМС США, и ASALM (Advanced Strategic Air — Launched Missile), осуществленная ВВС США. Всего в рамках обеих программ проведено 13 успешных летных испытаний. Было показано, что испытывавшиеся двигатели обладают высокими эксплуатационными характеристиками при полете как на уровне моря, так и на больших высотах при числах Маха, больших 5.
Ракета ALVRJ имеет четыре воздухозаборника прямоугольного сечения, расположенных крестообразно в хвостовой части корпуса; камера сгорания выполнена из жаропрочной стали с керамическим теплоизоляционным покрытием, ограничивающим температуру стенок до 2000 К. Ракета ASALM имела подлокаторный воздухозаборник с пространственным торможением потока; кроме того, в этой ракете было применено новое эластомерное теплоизоляционное покрытие рабочих стенок, выполненное из легких кремнийорганических материалов, позволившее реализовать процесс горения в камере сгорания ПВРД при условиях, близких к стехиометрическим. В двигателях обеих ракет тракты воздухозаборников не регулируются, но при этом обеспечивают устойчивую работу двигателя в широком диапазоне изменения высоты полета и числа Маха (потолок ракеты ALVJR, правда, ограничен высотой в 12 км).
В настоящее время в США осуществляются три программы создания новых ракет с РПД.
Разрабатываемая ВМС сверхзвуковая ракета для поражения целей на низких высотах SLAT (Supersonic Low Altitude Target) будет оснащена РПДЖ, аналогичным установленному на ракете ASALM. Ракета SLAM предназначена для полета на высоте уровня моря со скоростями, соответствующими числам Маха вплоть до 2,5; она будет использоваться для испытания противоракетной системы Aegis ВМС США. Вполне возможно, что РПДЖ будет использован и на ракете класса "воздух — воздух" АААМ (Advanced Air — to — Air Missile). Ракета АААМ, имеющая меньшие размеры, чем ее предшественники, будет оснащена подфюзеляжным воздухозаборником новой конструкции, расположенным в хвостовой части корпуса; в двигателе этой ракеты будут использоваться новейшие агрегаты и системы, разработанные Центром морских вооружений (Naval Weapons Center). Возможной альтернативой системе LFIRR может стать двухимпульсный РДТТ, который в настоящее время также находится в стадии разработки. Ракеты АААМ будут использоваться ВМС США для ведения боевых действий на больших высотах, где можно максимально использовать их преимущества, связанные с большой дальностью активного участка траектории.
ВВС США работают сейчас над созданием комбинированного ракетно-прямоточного двигателя с регулируемым трактом VFDR (Variable Flow Ducted Rocket), который по своим характеристикам будет значительно превосходить двигатели с нерегулируемым трактом, особенно в тех случаях, когда требуется надежная работа двигательной установки в широком диапазоне изменения высоты полета и числа Маха. Двигатели VFDR будут оснащены двумя воздухозаборниками прямоугольного сечения, расположенными в хвостовой части корпуса ракеты, а также будут иметь бустерный (ускорительный) двигатель, расположенный непосредственно в камере сгорания основного двигателя, подобно тому, как это осуществлено РПДЖ. Для двигателей типа VFDR требуется разработка весьма сложной системы управления, однако ракеты, оснащенные такими двигателями, будут иметь большой срок хранения и высокие эксплуатационные характеристики. Они смогут составить конкуренцию уже существующим ракетам классов "земля — воздух", "воздух — воздух" и "воздух — земля". В случае успешного завершения трех упомянутых программ создания ПВРД новых типов США станут третьей страной после Франции и Советского Союза, имеющей на вооружении ракеты с высокоэффективными РПД.
Франция и Германия проводят совместные разработки новой ракеты с РПДЖ, предназначенной для поражения морских кораблей. Эта ракета, имеющая кодовое название ANS (Anti-Navaire Supersonique), будет запускаться с воздуха, что возможно благодаря малым размерам и массе РПД. Франция разработала прототип РПДЖ, тогда как в Германии основное внимание уделялось разработке РПДТ с борсодержащими топливами. В качестве базовой двигательной установки ракеты ANS был выбран РПДЖ. Япония также приступила к созданию новой сверхзвуковой ракеты с РПДЖ для нанесения ударов по морским целям.
Чтобы форсировать разработку собственных ПВРД, Япония в будущем может вступить в сотрудничество с США. Громадный интерес к ПВРД проявляют и многие быстро развивающиеся страны третьего мира. Например, Тайвань, КНР и Южная Корея уже располагают возможностями производить отдельные компоненты ПВРД и обладают необходимыми испытательными мощностями.
Соединенные Штаты в течение последних 25 лет уделяли весьма большое внимание созданию ПВРД. Испытания в рамках программ ALVJR и ASALM подтвердили пригодность РПДЖ к использованию в боевых ракетах; теперь можно сказать, что этот класс двигателей получил окончательное признание. В ближайшем будущем намечается провести летные испытания двигательных установок другого типа — VFDR.
ВВС и ВМС США ассигновали проведение научных исследований и конструкторских разработок, направленных на создание РПДТ SFIRR (Solid Fuel Integral Rocket Ramjet). Особенность этого двигателя состоит в том, что зерна твердотопливного заряда не содержат окислителя. Двигатель превосходит по своим характеристикам другие РПД. Однако при использовании обычных твердых топлив его характеристики оказываются несколько хуже, чем у РПДЖ. Менее жесткие требования, предъявляемые к условиям хранения твердотопливных двигателей, их меньшая стоимость и более высокая надежность, являющаяся следствием простоты конструкции, делают РПДТ весьма перспективными для использования в тактических ракетах нового поколения. ВВС США удалось совершить значительный шаг вперед в разработке новых высокоэффективных твердых ракетных топлив на основе соединений бора. Работы в этом направлении будут продолжаться и дальше.
В последнее время весьма большое внимание уделяется проблемам осуществления полетов с гиперзвуковыми скоростями. На разработку новых эндотермических ракетных топлив, которые позволят достигать гиперзвуковых скоростей, отвечающих числам Маха 6-8, нацелены научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы. Кроме того, изучаются различные способы организации процесса сверхзвукового горения водородных и углеводородных топлив. В стадии разработки находятся комбинированные турбопрямоточный и ракетно-турбинный двигатели. Ведется также создание новых легких жаропрочных и стойких к окислению при высоких температурах материалов, из которых можно было бы изготовлять элементы конструкции прямоточных двигателей гиперзвуковых ракет и самолетов. Со времен первого спутника перед США не стояли еще столь грандиозные научно-исследовательские задачи.
Франция сейчас планирует научные исследования, направленные на создание ракетно-турбинного двигателя, который мог бы обеспечить полет на высотах от уровня моря до околоземной орбиты, где будут достигаться числа Маха порядка 25. Целью этих исследований является создание комбинированного двигателя, включающего тракты турбореактивного, ракетного и прямоточного двигателей. Согласно принятой концепции, для достижения числа Маха, равного 6, будут задействованы воздушно-реактивные тракты, после чего будет включен тракт ЖРД, с помощью которого ракета сможет достичь низкой околоземной орбиты.
В Германии проводятся научные исследования и конструкторские разработки, направленные на создание силовой установки двухступенчатого космоплана Sanger. Для полета в пределах высоты 30 км первая ступень космоплана будет использовать турбопрямоточный двигатель. После достижения числа Маха 7 первая ступень будет отделена и с помощью ЖРД космоплан достигнет околоземной орбиты. В Японии разрабатываются две схемы силовой установки космоплана. Одна из них основана на комбинированном ПВРД с дозвуковым и сверхзвуковым горением водорода, который даст возможность достичь числа Маха 25 и выйти на нижнюю околоземную орбиту, т. е. данный двигатель позволит достичь околоземной орбиты одноступенчатому аппарату. Кроме того, ведутся исследования, направленные на создание двухступенчатого аппарата, первая ступень которого оснащена пароводородным ракетно-турбинным двигателем, а вторая — обычным ЖРД на компонентах водород — кислород. Как известно, в США разрабатывается схема одноступенчатого космоплана с двигателем на водороде.
Таким образом, в 90-х годах полным ходом будет идти разработка новых прямоточных двигательных систем. За это десятилетие будет наработан необходимый инженерный материал, касающийся создания новых комбинированных двигателей, которые могут работать в режиме ПВРД, ТРД или ЖРД/РДТТ на высотах от уровня моря до околоземной орбиты. Создание ПВРД со сверхзвуковым горением позволит достигнуть гиперзвуковых скоростей, соответствующих числам Маха от 6 и выше, при использовании углеводородных топлив, а при использовании в качестве топлива водорода — развить скорости, достаточные для выхода на околоземную орбиту. Для того чтобы элементы конструкции ПВРД могли работать при высоких температурах, возникающих в условиях полета с гиперзвуковыми скоростями, будут разработаны новые керамические композитные материалы. Применение новейших эндотермических топлив позволит создать ракеты и самолеты, полет которых будет проходить при числах Маха 7-8. Одновременно будет разрабатываться и совершенствоваться конструкция камер сгорания, обеспечивающая устойчивую и надежную работу двигателей с применением таких топлив. Короче говоря, в 90-х годах мы станем свидетелями все более широкого использования прямоточных двигательных систем во всем мире.