A hiperszonikus repülőgép ( GZLA ) olyan repülőgép (LA), amely képes hiperszonikus sebességgel (5 Mach-nál nagyobb vagy azzal egyenlő ) repülni a légkörben, és aerodinamikai erők segítségével manőverezni .
Egy ilyen sebességre képes szárnyas repülőgép sokkal nagyobb hatótávolságra tud sikolni , mint egy hagyományos repülőgép, mivel a siklás "dinamikussá" válik.
A repülőgépek "szubszonikusra", " szuperszonikusra " és " hiperszonikusra " való felosztása meglehetősen szilárd fizikai alapokon nyugszik, és tükrözi a légi jármű és a levegő kölcsönhatásában lévő jelenségek lényegét: a hiperszonikus sebességgel történő repülés ugyanolyan alapvetően különbözik a repüléstől szuperszonikus sebesség, mivel ez utóbbi különbözik a szubszonikus [1] [2] [3] .
A GZLA lehet hajtóművek nélkül, vagy különféle típusú meghajtórendszerekkel [4] : folyékony rakétamotorok (LPRE), hiperszonikus sugárhajtóművek (scramjet motorok) [5] , szilárd hajtóanyagú rakétamotorok (RDTT) (valamint elméletileg nukleáris rakétamotorok ) (NRE) ) és mások), beleértve az ilyen motorok és nyomásfokozók kombinációját. Vagyis a „hiperszonikus” kifejezés azt jelenti, hogy az eszköz képes hiperszonikus sebességgel mozogni a levegőben, a motorok és a levegő egyik vagy másik formában történő felhasználásával.
Tekintettel a technológiában rejlő lehetőségekre, a szervezetek világszerte kutatnak a hiperszonikus repülés és a scramjet fejlesztés terén . Nyilvánvalóan az első alkalmazás az irányított katonai rakétákra vonatkozik, mert ezen a területen csak repülőgép üzemmódra van szükség a magassági tartományban, és nem a keringési sebességre való gyorsításra. Így a fejlesztés fő forrásai ezen a területen pontosan a katonai szerződések keretein belül mennek el.
A hiperszonikus űrrendszerek profitálhatnak vagy nem a scramjet fokozatok használatából . A scramjet fajlagos impulzusa vagy hatásfoka elméletileg 1000 és 4000 másodperc között mozog , míg egy rakéta esetében ez az érték 2009-ben nem haladja meg a 470 másodpercet [6] [7] , ami elvileg sokkal olcsóbb űrbe jutást jelent. Ez a szám azonban gyorsan csökkenni fog a sebesség növekedésével, és az emelés/ ellenállás arány is romlik . Jelentős probléma a scramjet tolóerejének a tömegéhez viszonyított kis aránya, [8] amely 2, ami körülbelül 50-szer rosszabb, mint egy rakétahajtómű esetében . Ezt részben ellensúlyozza, hogy a gravitáció kompenzálásának költsége a tényleges repülőgép üzemmódban elenyésző, de a hosszabb légköri tartózkodás nagyobb aerodinamikai veszteséget jelent.
A scramjet meghajtású utasszállító repülőgépeknek jelentősen le kell csökkenteniük az egyik pontról a másikra való utazási időt, és potenciálisan 90 percen belül elérhetővé kell tenniük a Föld bármely pontját . Kérdések maradnak azonban, hogy az ilyen járművek elegendő üzemanyagot tudnak-e szállítani ahhoz, hogy elég hosszú távolságokat repüljenek, és képesek-e kellő magasságban repülni ahhoz, hogy elkerüljék a szuperszonikus repüléssel járó hanghatásokat. Az ilyen járatok teljes költségével és a járművek többszöri használatának lehetőségével kapcsolatos kérdések továbbra is bizonytalanok maradnak a hiperszonikus repülés után.
A történelem során a GZLA-kat több tesztrepülőgép , pilóta nélküli légi jármű és keringési fokozat – újrafelhasználható űrhajó űrrepülőgépe (MTKK) formájában valósították meg . Számos ilyen típusú jármű, valamint hiperszonikus gyorsító- és keringési fokozatokkal vagy egyfokozatú AKS- űrrepülőgépekkel és utasszállító űrrepülőgépekkel rendelkező repülőgép-rendszerek ( orbitális repülőgépek ) is léteztek és léteznek ma is.
A GLA egyik első részletes projektje a meg nem valósult Zenger projekt volt, amely egy részleges orbitális harci űrbombázó " Silbervogel " ( Ezüst Madár ) létrehozására irányult a náci Németországban .
Az űrrepülőgépekkel ellentétben, mivel az űrhajók létrehozásakor bonyolultabb meghajtási és szerkezeti technológiákra van szükség, a mai napig egyik űrhajóprojekt sem valósult meg.
Az 1960-as években az Egyesült Államok egy programot hajtott végre egy észak-amerikai X-15 kísérleti rakétarepülő kifejlesztésére és repülésére , amely a történelem első volt, és 40 éven át az egyetlen GLA repülőgép, amely szuborbitális emberes űrrepülést hajtott végre . Az Egyesült Államokban 13 repülése haladja meg a 80 km-t, a világban ( FAI ) pedig ebből 2, amelyen túllépték a 100 km-es űrkorlátot , szuborbitális emberes űrrepülésként ismerik el, résztvevői pedig űrhajósok .
Hasonló programok a Szovjetunióban és más országokban.
A 21. század elején kezdett kibontakozni a privát űrturizmus , amellyel összhangban számos, fel- és leszállási pályán hiperszonikus repülést végző űrrepülőgépes, szuborbitális, újrafelhasználható, emberes űrrepülőgép-projekt jött létre és fejlődik. 2004- ben készült el a Virgin Galactic cég első ilyen eszköze, a SpaceShipOne . A program fejlesztése a SpaceShipTwo volt . Állítólag a szuborbitális LYNX és más magánjárművek lesznek a következők .
Vannak projektek hiperszonikus szuborbitális utasszállító repülőgépekre (például SpaceLiner , ZEHST , HEXAFLY-INT ( High-Speed Experimental FLY Vehicles - International, High-Speed Experimental Aircraft ) [9] ) és gyorsreagálású katonai szállítógépekre is .
Valamennyi szárnyas MTKK-ban és AKS-ben a pályára lépő második (űrrepülőgép) vagy egyetlen (űrhajó) fokozatuk hiperszonikus repülést hajt végre a süllyedési pályán, egyeseknél - vízszintes kilövésű egy- vagy kétfokozatú rendszerekben - emelkedés közben is.
Az 1960-as években és később az Egyesült Államokban és a Szovjetunióban léteztek orbitális űrrepülőgépek, de nem valósították meg őket. Az USA- ban az X-20 Dyna Soar és a Szovjetunióban a Lapotok LKS projektek hagyományos hordozórakétákon (LV) biztosították az orbitális repülőgépek függőleges indítását, amelyek csak visszatéréskor váltak GLA-vá. A Szovjetunió meg nem valósult projektjében az AKS Spirál és a felső szakasz (gyorsító repülőgép) és az orbitális repülőgépek hiperszonikusak voltak, és vízszintes közös indítást és külön leszállást hajtottak végre.
Az USA-ban az 1980-2000-es években. kidolgozták az MTKK Űrsikló történetében elsőként orbitális űrrepülőgéppel végzett , több mint 100 repülésből álló kiterjedt programot . Egy hasonló, de hordozórakétán indított űrrepülőgép, a Szovjetunió Buran űrrepülőgépe csak egy repülést hajtott végre pályára. Ezt előzték meg a BOR-4 és BOR-5 prototípus űrrepülőgépek próbarepülései , amelyeket szintén a hordozórakétával indítottak.
Az 1990-es és 2000-es években számos újrafelhasználható űrszállító rendszer és AKS projekt létezett, de a gyakorlati megvalósításig törölték: Oroszországban - a hagyományos repülőgépről indított MAKS űrrepülőgép és a RAKS űrrepülőgép , az Egyesült Államokban - egyetlen - szakaszban lévő VentureStar űrszonda függőleges kilövéssel és vízszintes leszállással, valamint NASP (Rockwell X-30) vízszintes indítással és leszállással, Franciaországban és az Európai Unióban - a Hermes űrrepülőgép hordozórakétán , Japánban - a HOPE űrrepülőgép kilövéskor jármű (prototípusa, a HIMES pályára repült ) és a kétfokozatú ASSTS vízszintes kilövéssel és leszállással, Németországban - kétlépcsős Zenger-2 vízszintes kilövéssel és leszállással, az Egyesült Királyságban - egylépcsős HOTOL vízszintes kilövés és leszállás, Indiában - hordozórakétára felbocsátott Hyperplane űrrepülőgép stb.
A 21. század elején volt egy projekt Oroszországban, de a hagyományos hordozórakétával indított, részben újrafelhasználható szárnyas Clipper űrhajó projektjét törölték.
Az Egyesült Államokban a Boeing X-37 projekt egy hordozórakétával indított kísérleti űrrepülőgép pályára történő repüléseivel folytatódik. A projektek fejlesztése folyamatban van: az Egyesült Királyságban - egylépcsős AKS-űrhajó Skylon vízszintes kilövéssel és leszállással, Indiában - űrrepülő prototípus, amelyet egy egylépcsős AKS-űrhajó RLV / AVATAR hordozórakétáján indítottak függőleges kilövéssel. és vízszintes leszállás, Kínában - hordozórakétára indított űrrepülőgép és annak prototípusa, a Shenlong és kétlépcsős MTKK vízszintes indítással és leszállással stb.
Speciális kísérleti pilóta nélküli GLA projekteket fejlesztenek és valósítanak meg annak érdekében, hogy teszteljék a következő generációk két- és egylépcsős újrafelhasználható szállító ACS (űrrepülőgépek és űrhajók) létrehozásának lehetőségeit, valamint a rakétahajtóművek ( scramjet ) és egyéb fejlett technológiáit.
Voltak pilóta nélküli GLA projektek, amelyeket a megvalósítás különböző kezdeti szakaszaiba hoztak az Egyesült Államokban - Boeing X-43 , Oroszország - "Cold" és "Needle" , Németország - SHEFEX (űrrepülőgép / űrhajó prototípusa), Ausztrália - AUSROCK és mások.
Korábban számos projektet fejlesztettek ki kísérleti és harci cirkáló (például X-90 a Szovjetunióban) és nem cirkáló (például X-45 a Szovjetunióban) rakétákra, amelyek hiperszonikus sebességet érnek el.
A 2000-es években a fejlesztések folytatódtak: 2010. április 20-án például az amerikai DARPA Falcon HTV-2 tervező hiperszonikus irányított robbanófej első, 2010. május 26-án pedig az US X-51 első tesztje zajlott. A Waverider hiperszonikus cirkálórakéta megtörtént . 2011. november 18-án az Egyesült Államok Védelmi Minisztériuma elvégezte egy másik AHW projekt sikló hiperszonikus robbanófejének első tesztjét [10] .
2014 januárjában vált ismertté, hogy Kína egy WU-14 hiperszonikus robbanófejet tesztel 10 Mach sebességig .
Oroszországban a Yu-71 (4202) [11] [12] [13] hiperszonikus robbanófejet fejlesztik és tesztelik – eredetileg a Sarmat ICBM robbanófejet , aminek eredménye egy független projekt (11 Mach-ig terjedő sebesség) [14] . A MIG-31 repülőgépekre épülő Kinzhal hiperszonikus rakétarendszer egy orosz hiperszonikus hajóelhárító repülési rakétarendszer, amelyet 2017. december 1-je óta próbafegyverzetbe helyeztek. .
Az X-30- hoz hasonló hiperszonikus repülőgépek előnye, hogy kiküszöböli vagy csökkenti a szállítandó oxidálószer mennyiségét . Például az MTKK Space Shuttle külső tartálya induláskor 616 tonna folyékony oxigént (oxidálószer) és 103 tonna folyékony hidrogént ( üzemanyag ) tartalmaz. Ez az űrsikló-űrrepülőgép maga nem nyom 104 tonnánál többet leszálláskor. Így a teljes szerkezet 75%-a a szállított oxidálószer. Ennek a többlettömegnek a kiküszöbölése megkönnyíti a hajót és remélhetőleg növeli a hasznos teher arányát . Ez utóbbi tekinthető a scramjet tanulmányozásának fő céljának, a rakomány pályára szállításának költségeinek csökkentésével együtt.
De vannak bizonyos hátrányai:
Alacsony tolóerő-tömeg arányA folyékony hajtóanyagú rakétamotort (LRE) nagyon magas tolóerő-tömeg arány jellemzi (akár 100:1 vagy több), amely lehetővé teszi a rakéták számára, hogy nagy teljesítményt érjenek el, amikor rakományt szállítanak pályára. Éppen ellenkezőleg, a scramjet tolóerejének tömegéhez viszonyított aránya körülbelül 2, ami azt jelenti, hogy a motor részaránya nő a hordozórakéta tömegében (anélkül, hogy figyelembe vennénk, hogy ezt az értéket legalább négyszeresére csökkenteni kell oxidálószer hiánya). Ezenkívül a scramjet motor alacsonyabb sebességhatárának jelenléte és hatékonyságának csökkenése a sebesség növekedésével meghatározza a folyékony hajtóanyagú rakétamotorok alkalmazásának szükségességét az ilyen űrrendszerekben, azok hiányosságaival együtt.
További hajtóművekre van szükség a pálya eléréséhezA hiperszonikus ramjet -ek elméleti működési sebessége 5-7 Mach -tól az első űrsebességig 25 Mach -ig terjed , de amint az X-30 projekten belüli tanulmányok kimutatták , a felső határt az üzemanyag égési lehetősége szabja meg. légáram, és körülbelül 17 Mach . Így a nem üzemi sebességtartományban egy további sugárgyorsítási rendszerre van szükség. Mivel a sebességek utánpótlásában a szükséges különbség jelentéktelen, és a PN részesedése a hiperszonikus repülőgép kilövési tömegében nagy, a különféle típusú további rakétaerősítők alkalmazása teljesen elfogadható lehetőség. A scramjet kutatás ellenzői azzal érvelnek, hogy az ilyen típusú járművek minden kilátása csak egyfokozatú űrrendszerek esetében mutatkozhat meg. E tanulmányok támogatói azzal érvelnek, hogy a többlépcsős rendszerek scramjet motorokat alkalmazó változatai is indokoltak.
Lehetséges, hogy egy hiperszonikus űrhajó hővédelmének alsó részét meg kell duplázni, hogy a jármű visszakerüljön a felszínre. Az ablatív bevonat alkalmazása a keringés utáni elvesztését jelentheti, az üzemanyagot hűtőközegként használó aktív hővédelem megköveteli a motor működését.
Az üzemanyag és az oxidálószer mennyiségének csökkentése hiperszonikus járművek esetén magának a járműnek a részarányának növekedését jelenti a rendszer összköltségében. Valójában egy scramjet hajtású repülőgép költsége igen magas lehet az üzemanyagköltséghez képest, mert a repülőgépek ára legalább két nagyságrenddel magasabb, mint a folyékony oxigéné és tartályaié. Így a scramjet motorral szerelt járművek leginkább újrafelhasználható rendszerként indokoltak. Nem teljesen világos, hogy a berendezés újrafelhasználható-e a hiperszonikus repülés extrém körülményei között – az eddig tervezett rendszerek mindegyike nem biztosította a visszaküldést és az újrahasználatot.
Egy ilyen eszköz végső költsége heves vita tárgyát képezi, mivel jelenleg nincs egyértelmű meggyőződés az ilyen rendszerek kilátásairól. Nyilván ahhoz, hogy gazdaságilag indokolt legyen, egy hiperszonikus járműnek nagyobb hasznos teherrel kell rendelkeznie, mint egy azonos kilövőtömegű hordozórakétával.