0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Экспериментальный беспилотный ГЛА Boeing X-51A WaveRider (США)

Экспериментальный беспилотный ГЛА Boeing X-51A WaveRider (США)

В летно-испытательном центре им. Драйдена на авиабазе Эдварде (шт. Калифорния) ведется подготовка к летным испытаниям экспериментального гиперзвукового летательного аппарата (ГЛА) Боинг Х-51 А, разработанного фирмами и научными организациями, объединившимися в промышленную группу HIT (Hypersonic Industry Team). В состав группы (кроме фирмы «Боинг») входят фирмы «Аэроджет», АТК, «Локхид Мартин», «Нортроп Грумман», «Рейтеон», «Пратт-Уитни» и «Роллс-Ройс», исследовательская лаборатория «Либерти Уоркс» Университета штата Мэриленд и научно-исследовательская лаборатория ВВС (AFRL).

Группа HIT является некоммерческой организацией, лоббирование чьих-либо интересов не входит в ее планы. Главной целью группы, согласно заявлениям ее исполнительного директора Леона МакКинни (Leon McKinney) и профессора Университета штата Мэриленд, бывшего главного научного специалиста ВВС, Марка Льюиса (Mark Lewis), является доведение до сведения администрации, конгресса и министерства обороны важности продолжения финансирования НИОКР в области гиперзвуковых технологий. Специалисты группы HIT считают, что создание экспериментальных ГЛА, таких как аппарат Х-51 А, может привести к появлению образцов вооружения, которые обеспечат в среднесрочной перспективе стратегическое превосходство вооруженных сил США.

В группе HIT отмечают, что впервые за 50 лет работ в области гиперзвуковых технологий получены практические результаты благодаря испытаниям экспериментальных ГЛА, в частности полетам аппаратов HyShot (2002 г., достигнута скорость, соответствующая числу М = 7,6 в течение 5 с) и Х-43 (2004 г., достигнута скорость, соответствующая числу М = 9,8 в течение 10 с). Если финансирование разработки экспериментальных ГЛА будет приостановлено или аннулировано, США могут потерять приоритет в этой области, так как активные работы по гиперзвуковым технологиям ведутся в нескольких странах, главным образом в России и КНР.

Разработка осуществлялась в рамках программы «быстрого глобального удара». Основная цель программы √ сокращение подлетного времени высокоточных крылатых ракет. В соответствии с программой разработки ГЛА Х-51А, рассчитанного на полеты со скоростью, соответствующей числам М = 4,5 — 5,0, предусматривается выполнить четыре полета. Поскольку ГЛА является прототипом ударной ракеты, то в двух пусках планируется продемонстрировать его тактические возможности, но с модернизированной системой управления.

ГЛА Х-51 А имеет длину 7,62 м. Его силовая установка представляет собой углеводородный ГПВРД. Запуск аппарата будет осуществляться с самолета-носителя Боинг В-52Н на высоте 15200 м при скорости, соответствующей числу при М = 0,8. После сброса включается твердотопливный ускоритель. Достигнув на высоте 1 8300 м скорости, соответствующей числу М = 4,6 — 4,8, аппарат переворачивается на «спину». В этот момент отстреливается разгонный блок и включается ГПВРД. В дальнейшем ГЛА набирает высоту около 30000 м и совершает полет на расстояние порядка 660 км.

Первый полет ГЛА Х-51А несколько раз откладывался из-за недостаточного финансирования. 26 мая 2010 года в США состоялся первый полет гиперзвуковой ракеты X-51A Waverider, сообщает Aviation Week. Испытания были признаны условно успешными (программа выполнена на 95 %, но из-за выявленной нестабильности ракеты и перебоев связи была отдана команда на самоуничтожение). Известно, что двигатель проработал около трех с половиной минут из запланированных пяти, что является на данный момент рекордом длительности полета летательного аппарата с прямоточным гиперзвуковым воздушно-реактивным двигателем. За это время ракета успела разогнаться до 5 М.

Первый самостоятельный полет Boeing X-51 был осуществлен в мае 2010 года. Данная стадия испытаний была признана условно успешной. Запланированную программу удалось выполнить на 95%, однако из-за неполадок в электронике ракеты был отдан приказ на ее самоуничтожение.

Во время четвертого по счету испытательного гиперзвукового летательного аппарата X-51A был установлен мировой рекорд по длительности полета с помощью прямоточного воздушно-реактивного двигателя, а максимальная скорость, которую развил аппарат WaveRider, составила Mach 5.1 (5 417 км/ч).

Как и во время других испытательных полетов, четвертый полет начался со сброса аппарата X-51A WaveRider из-под крыла бомбардировщика B-52H на высоте 15240 метров, который поднялся в воздух с полосы Авиационной базы имени Эдвардса в Калифорнии. Полет продолжался всего шесть минут, прежде чем беспилотный аппарат упал и затонул в Тихом океане. Из шести минут полета аппарат X-51A три с половиной минуты двигался на своей максимальной скорости при помощи прямоточного двигателя.

После сброса аппарата X-51A из-под крыла бомбардировщика аппарат включил свой разгонный твердотопливный ракетный двигатель, с помощью которого он разогнался до скорости Mach 4.8 (5098 км/ч). После того, как отработавший свое твердотопливный ускоритель был сброшен, аппарат произвел включение прямоточного двигателя, который способен работать лишь на гиперзвуковых скоростях. На тяге прямоточного двигателя аппарат разогнался до рекордной скорости Mach 5.1 и летел с такой скоростью, пока не исчерпался запас реактивного топлива JP-7.

X-51 WaveRider имеет экспериментальный гиперзвуковой воздушно-реактивный двигатель, позволяющий не брать на борт запасы кислорода, необходимого для сжигания водородного топлива. Кислород забирается из атмосферы непосредственно во время полета, а сжигание топлива производится в сверхзвуковом воздушном потоке. Многие эксперты сходятся во мнении, что данный аппарат может стать прототипом для будущего сверхзвукового гражданского самолета, который мог бы доставить пассажиров из Нью-Йорка в Лондон всего за один час, что в шесть раз быстрей самого скоростного на данный момент авиалайнера и даже в три раза быстрей, чем прекративший свои полеты в 2003 году сверхзвуковой «Конкорд». Однако пока разработка ведется в исключительно военных целях.

Читать еще:  Самоходная гаубица Palmaria (Италия)

На сегодняшний день (май 2013 года) ведется заключительная стадия испытаний ракеты. Как планируется, она поступит на вооружение армии Соединенных Штатов Америки в 2017 году.

Экспериментальный беспилотный ГЛА Boeing X-51A WaveRider (США)

Программа X-51A (SED-WR), начатая фирмами «Пратт-Уитни» и «Боинг» в 2001 г. по инициативе ВВС США и при поддержке DARPA (на проект выделено 246.5 млн долл.), была нацелена на создание и летные испытания демонстратора ГПВРД на обычном углеводородном топливе, эффективно работающего при М = 4-8. Углеводородное топливо предпочтительнее жидководородного по условиям эксплуатации и хранения, оно не испаряется, труднее воспламеняется и намного эффективнее при его использовании для охлаждения СУ. Фирма «Пратт-Уитни», получившая контракт на конкурсной основе, разработала ГПВРД, работающий на топливе JР-7. Согласно оценкам экспертов фирмы, при оснащении ракеты этой СУ достижимы следующие ТТХ: максимальное маршевое число М = 7-8; дальность полета 1300 км; высота полета 10-30 км; продолжительность полета не менее 12 мин.

Двигатель предназначался для летных испытаний на ГЛА X-43C. Однако для снижения технического риска предусматривались предварительные испытания упрощенного варианта ГПВРД на ГЛА X-51A. Программе ГЛА X-51A предшествовал проект аппарата ARRMD с несущим корпусом. В базовом варианте ARRMD стартовая масса составляла 1050 кг, масса полезной нагрузки — 115 кг, дальность — около 1100 км. Для разгона до скорости, соответствующей М = 4.5, когда запускается ГПВРД, предполагалось использовать два РДТТ. Проект не получил развития, но послужил основой для разработки ГЛА X-51A.

Экспериментальный одноразовый ГЛА Boeing X-51A WaveRider (иное обозначение SED-WR), представляет собой аппарат интегральной схемы с несущим корпусом, подфюзеляжным ГПВРД и четырехконсольным хвостовым оперением. Облик ГЛА отвечает требованиям малозаметности (предположительно ЭПР не более 0.01 м2); несущие поверхности (крыло сверхмалого удлинения) образуют одно целое с корпусом, а не являются отдельным элементом компоновки, как на ЛА серии X-43. Полностью подвижные консоли хвостового оперения имеют трапециевидную форму в плане со стреловидной передней (угол не более 45°) и прямой задней кромками. При проектировании был принят расчетный коэффициент безопасности, равный 2. Для разгона ГЛА до скорости, соответствующей M = 4.5-5 используется устанавливаемый тандемно ракетный ускоритель на твердом топливе. В ходе критической оценки наиболее серьезные вопросы касались выбора воспламенителя — силан или этилен, и ускорителя ATAСMS, поскольку штатно его запуск должен происходить на уровне моря, а не на высоте 11-15 км.

В мае 2007 г. после детального рассмотрения хода работ по ГЛА X-51A «WaveRider» главные заказчики — AFRL и DARPA — утвердили проект ракеты «WaveRider» (название неофициальное). В принципе, программа X-51A реализуется как общенациональная с привлечением большого количества университетов, исследовательских организаций, военных авиационных и морских центров. Помимо NASA независимую экспертизу проекта осуществляет Центр аэронавтических систем ASC. Работы по X-51A были жестко подчинены правилу: сначала обширные расчетно-аналитические исследования, а затем испытания в наземных экспериментальных установках. Для большей достоверности расчеты дублировались по разным программам в разных исследовательских центрах. При этом широко использовались промышленные программы, а также сравнительно простые схемы и методики. Подобные подходы позволяют просчитать большое количество вариантов и получить качественные оценки степени влияния различных факторов на ТТХ проектируемого ГЛА.

Было показано, что при маршевых числах М = 4-6 дальность в первую очередь определяется массовыми соотношениями в компоновке, а полнота сгорания — на втором месте. При М > 6-7 на дальность сильно влияют потери давления в камере сгорания и в меньшей мере — массовые характеристики и полнота сгорания. В совокупности решений, хотя и весьма приблизительных, но охватывающих заданные диапазоны изменения основных параметров, можно выделить оптимальные варианты, подлежащие более детальному и трудоемкому анализу. Следует особо отметить роль NASA в проекте X-51A: на расчетные исследования по проекту затрачено 1.2 млн ч работы центрального процессора комплекса «Коламбия» НИЦ им. Эймса. Специалисты NASA также анализируют, оценивают и выдают заключения по всем экспериментальным результатам. Главным образом использовались программы Overflow для расчетов по Навье — Стоксу (детальное исследование сил и моментов) и Cart3d по Эйлеру (быстрое формирование обширной базы данных). Фирма «Боинг» на своих компьютерах затратила на расчеты характеристик сложных конфигураций в рамках уравнений Навье — Стокса (программа BCFD) свыше 300 000 ч. Исследование аэродинамических характеристик аппарата X-51A было завершено к началу 2007 г.

Наряду с расчетами в аэродинамических трубах НИЦ им. Арнольда проводились испытания модели ГЛА, выполненной в масштабе 1:5, и модели аппарата X-51A с ускорителем, выполненной в масштабе 1:7. Исследования в наземных экспериментальных установках заняли свыше 1700 ч (свыше 3200 пусков в АДТ). При этом велик объем испытаний собственно СУ и ее элементов, тем более, если учесть весь модификационный ряд от экспериментального двигателя РТЕ до двигателя SJX 61-2, устанавливаемого на первом демонстраторе. Большое внимание уделено оптимизации воздухозаборника, в том числе выбору формы, размеров и расположения турбулизаторов перед воздухозаборником для однозначной фиксации перехода в пограничном слое на всех летных режимах. Это снижает риск незапуска из-за взаимодействия пограничного слоя со скачком уплотнения на изоляторе и обеспечивает более интенсивные процессы смешения и горения в камере сгорания.

Читать еще:  Противопехотная мина M16 (США)

Интегральная компоновка демонстратора подчинена жестким габаритно-массовым ограничениям, ввиду чего ряд систем размещен непосредственно под обшивкой, а топливо хранится в объемах между обшивкой и внутренними стенками центральной части корпуса. В этом же отсеке находятся топливный насос и емкость с этиленом (около 2.7 кг). Батареи питания (28, 150, 270 В) и системы наведения и управления помещаются в передней части корпуса за носовым модулем. Блок навигации и управления соединен с цифровой системой регулирования подачи топлива стандартной шиной MIL-STD-1553B. В хвостовой части корпуса над соплом располагаются электроприводы аэродинамических рулей и система самоподрыва в аварийной ситуации. Основная конструкция и обшивка экспериментального ГЛА изготовлены из обычных авиационных алюминиевых и частично титановых сплавов. Носовой модуль из вольфрама с силиконовым покрытием (массой около 60 кг) выдерживает кинетический нагрев до 1500 °С и служит балластом, необходимым для статически неустойчивого ЛА. На натурном аппарате X-51A на расстоянии примерно 0.31 м от передней кромки корпуса располагаются турбулизаторы. Переходник от носка к отсекам, выполненным из алюминиевых сплавов, аэродинамические рули и основная конструкция камеры сгорания двигателя (массой до 50 кг) изготовлены из никелевых сплавов типа Инконель 625, сопло двигателя — из титановых сплавов (температура до 1870 °С); передние кромки рулей и обечайки воздухозаборника — из композитов углерод-углерод.

Материалы и толщина пассивной теплозащиты выбирались в соответствии с расчетными оценками тепловых потоков. На нижней поверхности ГЛА, где ожидаются температуры до 830 °С, используются плитки из материала BRI-16, разработанного фирмой «Боинг» для ВКС «Спейс Шаттл». Такими же плитками защищены обечайка и поверхность сжатия воздухозаборника. Здесь уносимое покрытие могло бы существенно ухудшить работу двигателя. Клеевая прокладка предназначается для компенсации напряжений, возникающих из-за различия в тепловом расширении обшивки и плиток. На верхнюю поверхность ГЛА наносится легкое уносимое покрытие BLA-S, рассчитанное на температуру до 1260 °С. Специалисты института им. Гопкинса сформулировали общую рекомендацию для ГЛА с маршевым числом М = 6: пригодны теплостойкий сплав никеля и хрома, титановые сплавы и композиты на керамической матрице. Для сопла разработана сотовая защита с уносимым покрытием.

Двигатель SJX61, предназначенный для летных испытаний ГЛА, создан на основе прототипа GDE-1 в рамках программы HySET, объединившей все НИОКР по созданию опытного образца ГПВРД, а также программы наземных испытаний отдельных агрегатов и двигателей в целом. Двигатель имеет один канал шириной 0.23 м, нерегулируемый самозапускающийся воздухозаборник плоской схемы с расчетным числом М = 7 и расходом воздуха около 4.45 кг, а также плоское сопло. Средний расход топлива около 0.41 кг/с. Боковая стенка двигателя с заключенными в ней теплообменниками имеет габариты 0.152 х 0.76 х 1.9 м. В стендовых испытаниях GDE-1 были продемонстрированы совместимость охлаждаемых и неохлаждаемых частей конструкции, гарантированное воспламенение и устойчивая работа двигателя при М = 4.5-6.5. Продолжая программу ГПВРД на топливе JP-7, фирма «Пратт-Уитни Рокетдайн» (PWR) в апреле 2006 г. завершила успешные испытания в АДТ НИЦ им. Лэнгли при М = 4.6 следующего двигателя — GDE-2, имеющего натурную массу и систему активного охлаждения топливом. Впервые был испытан двигатель, оснащенный замкнутым контуром регулирования подачи топлива и клапанами натурной массы. Двигатель GDE-2 чуть длиннее и шире, чем натурный двигатель SED; последний еще и легче благодаря сварным, а не болтовым соединениям, а также воздухозаборнику фиксированной геометрии. Но камера сгорания, системы управления и охлаждения идентичны.

Важнейшим технологическим достижением является создание ГПВРД, работающего на обычном авиационном керосине JP-7, и, в особенности, многоклапанной регенеративной системы охлаждения сверхзвуковой камеры сгорания. Благодаря активному охлаждению топливом, циркулирующим по трубопроводам внутри стенок камеры сгорания, температура их остается ниже точки плавления. В самой камере температура около 1870°С; без охлаждения ожидается ее повышение до 2750 °С. Одновременно топливо нагревается до перехода в газообразное состояние с распадом тяжелых молекул на более легкие, чему способствует также каталитическое покрытие теплообменных пластин. В результате в камеру сгорания поступает смесь горячих газов: водород, метан, этилен. Это позволяет реализовать эффективные процессы смешения, воспламенения и горения при сверхзвуковой скорости потока воздуха в камере сгорания. Для гарантированного сгорания топлива вначале в течение 10 с в камеру сгорания подается жидкий этилен. Инициирование горения в передней части камеры имеет преимущество за счет того, что увеличивается время прохождения горящей смеси через камеру, но велик риск незапуска воздухозаборника из-за выбитого скачка уплотнения. Поэтому вначале топливо впрыскивается ближе к выходу из камеры, а с ростом ускорения ЛА и повышения скоростного напора подача топлива перемещается к передней части камеры сгорания. Цифровая система регулирования циркуляции топлива (FADEC) служит быстрому установлению теплового равновесия, исключается накапливание и тем более обратный ток топлива.

Читать еще:  Авиадесантная САУ АСУ-57П (СССР)

Некоторые данные позволяют предположить, что для оптимизации процесса запуска используется впрыск топлива на ступени торможения воздухозаборника. Известно, что рас-четно-экспериментальные исследования такого выдува с целью минимизации длины камеры сгорания постоянно расширяются. В рамках примыкающей к проекту X-51A программы HyShot эти разработки выполняются в сопряжении с другой технологией — организацией в сверхзвуковой камере сгорания системы скачков уплотнения и волн разрежения, при которой возникают локальные зоны с такой высокой температурой, что водород воспламеняется без дополнительного вмешательства. В конечном счете при всех числах М должна быть обеспечена максимальная тяга. Имеет смысл напомнить, что в числе предшественников аппарата X-51A была гиперзвуковая ракета ASALM (1979 г.) с ПВРД, который обеспечивал максимальное число М Последняя >>

Х-51 Waverider: гиперзвуковое оружие США

Американское Агентство передовых оборонных исследований при взаимодействии с ВВС США разрабатывают и уже давно публично тестируют сверхбыстрые летательные аппараты и средства вооружения для армии США, которые смогут многократно превышать скоростью звука в полете.

Самым результативным тестированием было запуск компанией Boeing в 2013 году гиперзвукового летательного аппарата Boeing X-51 WaveRider. Во время тестирования аппарат успешно прошел все этапы тестирования и достиг скорости 5521 км/ч. После исчерпания топлива аппарат X-51 упал в воду.

Основной центр испытаний находится на одной из самых современных баз ВВС США в Штате Калифорния. Именно здесь на базе ВВС США Эдвардс, ранее проходили испытания стел-истребителей и бомбардировщиков для армии США.

Не смотря на то, что гиперзвуковой аппарат связывают с компанией Boeing, работа над усовершенствованием технологий Х-51 ведется в рамках специально созданной группы HIT (Hypersonic Industry Team) в состав которой входят как представители вооруженных сил США, Boeing, так и другие военно-промышленные компании Northrop Grumman Corporation (разработан выдающийся бомбардировщик B-2 Spirit), Raytheon (разрабатывающая передовые ракетные вооружения и средства локации), Aerojet (разрабатывает инновационные двигатели), лаборатория инновационных разработок Университета штата Мэриленд Либерти Уоркс и Агентство передовых оборонных исследований ВВС США (DARPA).

Путешествуя со значением числа Маха 5.1, а это около 5 417 км/ч, самолет мог бы преодолеть расстояние от Лондона до Нью-Йорка за час. Задействованный в разработке старший научный советник ВВС США Мика Эндсли отметил, что первые гиперзвуковые летательные средства должны быть представлены уже к 2023 году.

Однако, перевозка пассажиров, на данный момент недопустима из-за очень больших нагрузок в процессе полета на ультразвуке. Поэтому основным предназначение таких воздушных аппаратов будет перевозка грузов. Так США получат возможность в кратчайшие сроки перебросить военную технику и оборудование в зону военной операции. Другим назначением ультразвуковых летательных аппаратов, на службе армии США, станет разведка и подавление связи противника.

Представители ВВС США подтверждают, что данные технологичные средства будут использоваться в военной сфере, вместо гражданского применения, в качестве сверхбыстрого оружия, работая как ракета.

Аналогично гиперзвуковому летательному аппарату, гиперзвуковые ракеты, должны будут введены в строй ВВС США к 2023 году. Они также будут сверхбыстрыми и смогут достигать скорости в десятки раз превышающую скорость звука.

«Мы — Военно-воздушные силы. Что мы хотим сделать с этой технологией? Мы хотим использовать её в военных целях», сказал Райан Хелбак, чиновник из Научно-исследовательской лабораторией Военно-воздушных сил. Военные чиновники США ожидают, что Китай и другие страны также пытаются разработать подобную технологию.

Ракета X-51 WaveRider, разработанная корпорацией Boeing, работает, выпадая из традиционного самолета носителя. Во время успешных тестов ракета сбрасывалась с борта самолета носителя, затем включала несколько ступеней разгона и уходила на скорости ультразвука по цели.

Как отмечают разработчики из Исследовательской лаборатории ВВС США, «Главным назначением такой ракеты станет молниеносная атака целей противника, которые заняли оборону. Даже если цель будет передвигаться, это не станет помехой для ракеты X-51».

Главными компонентами ультразвуковой ракеты являются:

1. Двигатель, который прошел множество испытаний. Сегодня последние тесты показывают, что специально разработанный двигатель для ультразвуковой ракеты может работать до полного расхода топлива, независимо от дистанции и времени полета. Ранее он отрабатывал несколько десятков секунд.

2. Важнейший компонент ракеты X-51 является ее особая оболочка. Точнее материалы из которых эта ракета состоит. В данном случае разработчики учли как предельно высокую скорость и нагрузки, так и высокую температуру возникающую при трении с атмосферой.

3. Технологичная начинка ракеты. Кроме двигателя и оболочки важное значение имеет специальное оборудование разработанное для этой ракеты. И в этой области у США нет конкурентов. Разработчики задействовали самые передовые военные разработки, которые проходят обкатку на истребителях F-22 Raptor, F-35, бомбардировщиках B-2, B-1, беспилотных летательных аппаратах Fire Scout и других секретных аппаратах, включая космический многоцелевой беспилоник X-37B.

При всех достигнутых положительных результатах тестирования, исследователи отмечают, что перед ними стоит еще много сложных технологических задач, для того, чтобы сделать оружие США самым эффективным в мире.

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector