Россия поразит мир гиперзвуковым оружием: в чем его суть и зачем оно нужно

Содержание

Российский учебно-боевой самолет нового поколения ЯК-130

Имперские легионы

История проекта

Ударная волна, вызванная летательным аппаратом

Фото №1 ударных волн при обтекании модели сверхзвуковым потоком в аэродинамической трубе (Аэродинамическая лаборатория NASA)
NASA удалось получить фото ударной волны при преодолении самолётом звукового барьера

Подробнее: Распространениеударной волны, вызваннойсверхзвуковым самолётом

Жёлтая зона — след ударной волны на земле.

Снаружи конуса ударной волны(Маха), а на земле — перед жёлтой зоной самолёт не слышен.Распространение ударной волны, вызванной сверхзвуковым самолётом (источник). При обтекании сверхзвуковым воздушным потоком твёрдого тела на его передней кромке образуется ударная волна (иногда не одна, в зависимости от формы тела).

На фото №1 слева видны ударные волны, образованные на острие фюзеляжа модели, на передней и задней кромках крыла и на заднем окончании модели…

Виды скачков уплотнения при сверхзвуковом обтеканиител различной формы

Кроме того скачки уплотнения могут быть также присоединенными, когда они примыкают к поверхности тела, двигающегося со сверхзвуковой скоростью или же отошедшими, если они с телом не соприкасаются.Обычно скачки становятся присоединенными, если сверхзвуковой поток обтекает какие-либо остроконечные поверхности.Для самолета это, например, может быть заостренная носовая часть, ПВД, острый край воздухозаборника. При этом говорят «скачок садится», например, на нос(вид а и в).А отошедший скачок может получиться при обтекании закругленных поверхностей, например, передней закругленной кромки толстого аэродинамического профиля крыла(вид б).Различные узлы корпуса летательного аппарата создают в полете довольно сложную систему скачков уплотнения…

Подробнее: Звуковой барьер и сверхзвуковой полёт

Однако, наиболее интенсивные из них – два. Один головной на носовой части и второй – хвостовой на элементах хвостового оперения.

На некотором расстоянии от летательного аппарата промежуточные скачки либо догоняют головной и сливаются с ним, либо их догоняет хвостовой.

В итоге остаются два скачка, которые, в общем-то, воспринимаются земным наблюдателем как один из-за небольших размеров самолета по сравнению с высотой полета и небольшим промежутком времени между ними…

Интенсивность ( другими словами энергетика) ударной волны (скачка уплотнения) зависит от различных параметров(скорости движения летательного аппарата, его конструктивных особенностей, условий среды и др.) и определяется перепадом давления на ее фронте.По мере удаления от вершины конуса Маха, то есть от самолета, как источника возмущений ударная волна ослабевает, постепенно переходит в обычную звуковую волну и в конечном итоге совсем исчезает…

На фронте-конуса Маха ударной волны (называемой иногда также скачком уплотнения), имеющем очень малую толщину (доли миллиметра), почти скачкообразно происходят кардинальные изменения свойств потока — его скорость относительно тела снижается и становится дозвуковой, давление в потоке и температура газа скачком возрастают. Часть кинетической энергии потока превращается во внутреннюю энергию газа. Все эти изменения тем больше, чем выше скорость сверхзвукового потока… При гиперзвуковых скоростях (число Маха=5 и выше) температура газа достигает нескольких тысяч кельвинов, что создаёт серьёзные проблемы для аппаратов, движущихся с такими скоростями (например, шаттл «Колумбия» разрушился 1 февраля 2003 года из-за повреждения термозащитной оболочки, возникшего в ходе полёта). Фронт ударной волны по мере удаления от аппарата постепенно принимает почти правильную коническую форму, перепад давления на нём уменьшается с увеличением расстояния от вершины конуса, и ударная волна превращается в звуковую…

Подробнее читать Звуковой барьер. О нем и вещах, ему сопутствующих…

Классификация скоростей в атмосфере

При обычных условиях в атмосфере скорость звука составляет примерно 331 м/сек. Более высокие скорости иногда выражаются в числах Маха и соответствуют сверхзвуковым скоростям, при этом гиперзвуковая скорость является частью этого диапазона. НАСА определяет «быстрый» гиперзвук в диапазоне скоростей 10-25 М, где верхний предел соответствует первой космической скорости. Скорости выше считаются не гиперзвуковыми скоростями, а «скоростями невозврата» космических аппаратов на Землю.

Сравнение режимов

Проксима Б

Поскольку Проксима Б очень близка к своей звезде — красному карлику, проблемы моделирования ее свойств уже занимают головы ученых. Во-первых, планета настолько близка к звезде, что, скорее всего, как говорилось выше, приливно ей заперта. Это означает, что одна сторона планеты всегда обращена к звезде. Поэтому одна сторона планеты должна быть очень теплой. В то время как противоположная сторона должна быть очень холодной. Если ветры не распространяют тепло равномерно всей по планете. Это затруднило бы условия для существования жизни.

Близкое расстояние планеты от красного карлика также приносит и другие проблемы. Красные карлики — неустойчивые звезды. А когда они молоды – они обладают большой звездной активностью и испускают заряженные частицы, которые могут провоцировать интенсивное облучение близлежащих планет. Согласно исследованиям 2017 года, проведенными центром космических полетов НАСА им. Годдарда, некоторые из этих излучений могут разрушать молекулы в верхней части атмосферы планеты и со временем истончить ее.

Чтобы лучше понять пригодность Проксима Б для существования жизни ученые продолжают исследования красных карликовых звезд. В ноябре 2017 года была обнаружена еще одна планета в обитаемой зоне красного карлика. Она почти так же близка к земле, как Проксима Б. Планета получила название Росс 128Б, и она вращается вокруг красной карликовой звезды. Она кажется гораздо более спокойным местом, чем Проксима Б. Исследовательская группа сообщила, что для того, чтобы узнать больше об ее атмосфере, потребуется телескоп следующего поколения. Такой, как Европейский чрезвычайно большой телескоп (E-ELT), гигантский Магелланов телескоп (GMT) и Тридцатиметровый телескоп (TMT), которые, как ожидается, начнут работать в 2020-х годах. (Космический телескоп им. Джеймса Уэбба (JWST), не сможет выполнить такой поиск, поскольку планета не пересекает поверхность своей звезды.)

Параметры подобия

Параметры газовых потоков принято описывать набором критериев подобия, которые позволяют свести практически бесконечное число физических состояний в группы подобия и которые позволяют сравнивать газовые потоки с разными физическими параметрами (давление, температура, скорость и пр.) между собой. Именно на этом принципе основано проведение экспериментов в аэродинамических трубах и перенос результатов этих экспериментов на реальные летательные аппараты, несмотря на то, что в трубных экспериментах размер моделей, скорости потока, тепловые нагрузки и пр. могут сильно отличаться от режимов реального полёта, в то же время, параметры подобия (числа Маха, Рейнольдса, Стантона и пр.) соответствуют полётным.

Для транс- и сверхзвукового или сжимаемого потока, в большинстве случаев таких параметров как число Маха (отношение скорости потока к местной скорости звука) и Рейнольдса достаточно для полного описания потоков. Для гиперзвукового потока данных параметров часто бывает недостаточно. Во-первых, описывающие форму ударной волны уравнения становятся практически независимыми на скоростях от 10 М. Во-вторых, увеличенная температура гиперзвукового потока означает, что эффекты, относящиеся к неидеальным газам становятся заметными.

Учет эффектов в реальном газе означает бо́льшее количество переменных, которые требуются для полного описания состояния газа. Если стационарный газ полностью описывается тремя величинами: давлением, температурой, теплоёмкостью (адиабатическим индексом), а движущийся газ описывается четырьмя переменными, которая включает еще скорость, то горячий газ в химическом равновесии также требует уравнений состояния для составляющих его химических компонентов, а газ с процессами диссоциации и ионизации должен еще включать в себя время как одну из переменных своего состояния. В целом это означает, что в любое выбранное время для неравновесного потока требуется от 10 до 100 переменных для описания состояния газа. Вдобавок, разреженный гиперзвуковой поток (ГП), обычно описываемый в терминах чисел Кнудсена, не подчиняются уравнениям Навье-Стокса и требуют их модификации. ГП обычно категоризируется (или классифицируется) с использованием общей энергии, выраженной с использованием общей энтальпии (мДж/кг), полного давления (кПа) и температуры торможения потока (К) или скорости (км/с).

Для инженерных приложений У. Д. Хэйес развил параметр подобия, близкий к правилу площадей Виткомба, который позволяет инженерам применять результаты одной серии испытаний или расчетов, выполненных для одной модели, к разработке целого семейства подобных конфигураций моделей, при этом не проводя дополнительных испытаний или подробных расчетов.

Рекомендации

Характеристики двигателя ЗМЗ-511/513 ГАЗ-53, 3307, ГАЗ-66

Гонки на выживание

Словосочетание «гиперзвуковое оружие» порождает неудобные вопросы. Что считать таковым? Существуют ли гиперзвуковые комплексы в наше время? И могут ли они быть эффективнее обычного оружия? Вообще, к условному гиперзвуковому оружию можно отнести даже боевое оснащение межконтинентальных баллистических ракет (МБР) и баллистических ракет подводных лодок (БРПЛ), так как на некоторых участках полета их боеголовки способны развивать гиперзвуковую скорость, которой, как известно, считают скорость выше пяти Махов. В то же время при вхождении в тропосферу боеголовка сильно замедляется, а гиперзвуковая скорость снижается до обычной сверхзвуковой.

Иначе устроено то, что сейчас принято называть гиперзвуковым оружием. Такой боеприпас должен уметь развивать гиперзвуковую скорость и маневрировать с использованием аэродинамических сил, поддерживая гиперзвук вплоть до момента поражения цели. Среди связанных с разработкой такого оружия проблем – обеспечение управляемого полета при гиперзвуковой скорости, когда у поверхности аппарата образуется плазма, в буквальном смысле окутывающая его. При этом происходит нагревание газа до температур нескольких тысяч градусов, что делает наведение ракеты на цель крайне трудной задачей: не каждая электроника способна справиться с такими нагрузками.

Гиперзвуковая крылатая ракета Boeing X-51

Источник изображения: wikipedia

Характерный пример – знаменитая американская гиперзвуковая экспериментальная ракета Boeing X-51, которая неоднократно сталкивалась с неудачами во время испытаний. Это, например, произошло в 2011 и 2012 годах. Не стоит также исключать, что американцы скрыли часть неудачных тестов, и проблемы еще серьезнее, чем может показаться.

Однако и недооценивать США не стоит. Особенно если учесть, что, кроме опыта разработки такого оружия, они имеют самый большой в мире военный бюджет: по состоянию на 2018 год, он превышал 640 миллиардов долларов. Или, если говорить проще, был в разы больше аналогичного показателя КНР, а российского военного бюджета – примерно в десять раз, если не больше.

На кону стоит многое. Страна, получившая в распоряжение гиперзвуковое оружие, сможет не только доставить к противнику «подарки» за крайне короткий промежуток времени, но и сделает их перехват задачей практически непосильной для многих противовоздушных средств. Особенно если речь идет о массированной атаке.

Х-47М2 «Кинжал»

Источник изображения: bastion-karpenko.ru

Поэтому многие рассматривают высокоточное неядерное оружие в качестве альтернативы ядерной триаде, доставшейся еще со времен холодной войны. И правда, зачем применять разрушительные боеголовки, когда парализовать противника можно с помощью гиперзвукового «скальпеля»? К слову, Россия очень хотела бы быть лидером в разработке гиперзвукового оружия, однако пока, видимо, пытается выдать желаемое за действительное. Так, ракета воздушного базирования Х-47М2 «Кинжал» хоть и способна развивать гиперзвуковую скорость, едва ли может поддерживать ее на протяжении всей траектории. Она не имеет прямоточного воздушно-реактивного двигателя, как X-51, и является аналогом не американской разработки, а аэробаллистических ракет времен холодной войны – типа снятой с вооружения советской Х-15.

Более интересным образцом выглядит российский «Циркон», предназначенный для флота. Однако пока этой ракеты нет на вооружении, а единственное свидетельство ее материального существования – показанные в 2019 году транспортно-пусковые контейнеры, расположенные на борту новейшего фрегата «Адмирал Горшков». По мнению экспертов, они похожи на те, которые, предположительно, должны использовать для гиперзвуковых «Цирконов».

• Гиперзвуковая ракета «Циркон» / Циркон
• Фрегат «Адмирал Горшков» / topwar.ru

А теперь перейдем непосредственно к американским разработкам, ведь именно они могут определить развитие высокоточного оружия на много десятилетий вперед.

Параметры подобия [ править ]

Категоризация воздушного потока основана на ряде параметров подобия , которые позволяют упростить почти бесконечное количество тестовых примеров в группы подобия. Для околозвуковых и сжимаемой жидкости , то Маха и Рейнольдса числа сами по себе обеспечивают хорошую категоризацию многих случаях потока.

Введение эффектов реального газа означает, что для полного описания состояния газа требуется больше переменных. В то время как неподвижный газ можно описать тремя переменными ( давление , температура , показатель адиабаты ), а движущийся газ — четырьмя ( скорость потока ), горячий газ в химическом равновесии также требует уравнений состояния для химических компонентов газа и газ в неравновесном состоянии решает эти уравнения состояния, используя время как дополнительную переменную. Это означает, что для неравновесного потока может потребоваться от 10 до 100 переменных для описания состояния газа в любой момент времени. Кроме того, разреженные гиперзвуковые потоки (обычно определяемые как потоки с числом Кнудсена)выше 0,1) не подчиняются уравнениям Навье – Стокса .

Гиперзвуковые потоки обычно классифицируются по их общей энергии, выраженной как общая энтальпия (МДж / кг), полное давление (кПа-МПа), давление торможения (кПа-МПа), температура торможения (K) или скорость потока (км / с). .

Уоллес Д. Хейс разработал параметр подобия, аналогичный правилу площади Уиткомба , который позволял сравнивать похожие конфигурации.

Классификация режимов Маха [ править ]

Хотя «дозвуковой» и «сверхзвуковой» обычно обозначают скорости ниже и выше локальной скорости звука соответственно, аэродинамики часто используют эти термины для обозначения определенных диапазонов значений Маха. Это происходит потому, что около M = 1 существует околозвуковой режим», в котором приближения уравнений Навье – Стокса, используемые для дозвукового расчета, больше не применяются, отчасти потому, что поток локально превышает M = 1, даже когда набегающий поток требуется пояснение число Маха ниже это значение.

«Сверхзвуковой режим» обычно относится к набору чисел Маха, для которого можно использовать линеаризованную теорию; например, там, где ( воздушный ) поток не вступает в химическую реакцию и где теплопередача между воздухом и транспортным средством может разумно не учитываться в расчетах. Обычно НАСА определяет «высокий» гиперзвуковой как любое число Маха от 10 до 25, а скорость входа в атмосферу — как любое число, превышающее 25 Маха. Среди самолетов, работающих в этом режиме, есть Space Shuttle и (теоретически) различные развивающиеся космические самолеты .

В следующей таблице приведены ссылки на «режимы» или «диапазоны значений Маха» вместо обычных значений «дозвуковой» и «сверхзвуковой».

Общие сведения

Полёт на гиперзвуковой скорости является частью сверхзвукового режима полёта и осуществляется в сверхзвуковом потоке газа. Сверхзвуковой поток воздуха коренным образом отличается от дозвукового и динамика полёта самолёта при скоростях выше скорости звука (выше 1,2 М) кардинально отличается от дозвукового полёта (до 0,75 М, диапазон скоростей от 0,75 до 1,2 М называется трансзвуковой скоростью).

Определение нижней границы гиперзвуковой скорости обычно связано с началом процессов диссоциации и ионизации молекул в пограничном слое (ПС) около аппарата, который движется в атмосфере, что начинает происходить примерно при М > 5. Также данная скорость характеризуется тем, что сверхзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель с дозвуковым сгоранием топлива () становится менее эффективным по сравнению с гиперзвуковым ПВРД (ГПВРД), в котором сгорание топлива осуществляется при сверхзвуковых скоростях потока. СПВРД по сравнению с ГПВРД при той же скорости полёта требует более сильного торможения потока воздуха перед его попаданием в камеру сгорания. Это обусловливает бо́льшие потери давления на участке торможения потока в СПВРД. В то же время в ГПВРД сгорание топлива при сверхзвуковой скорости потока сопровождается бо́льшими потерями давления по сравнению с потерями при сгорании топлива в дозвуковом потоке в СПВРД. При прочих равных условиях, чем ниже суммарные потери давления в проточном тракте ПВРД, тем выше его эффективность. Условия полёта, при которых суммарные потери в проточных трактах СПВРД и ГПВРД оказываются одинаковыми, принимаются за границу между сверхзвуковыми и гиперзвуковыми скоростями. Положение данной границы весьма условно и зависит от многих факторов. Так, например, для двигателей, использующих в качестве топлива водород, ввиду бо́льшей удельной теплоты его сгорания нижняя граница гиперзвуковых скоростей будет соответствовать более высоким числам Маха полёта, чем для аналогичных двигателей, работающих на керосине.

Сверхзвуковые наземные аппараты

На сегодняшний день только один наземный транспорт официально путешествовал со сверхзвуковой скоростью. Это ThrustSSC , управляемый Энди Грином , который удерживает мировой рекорд скорости на суше, достигнув средней скорости на двунаправленном беге 1228 км / ч (763 миль / ч) в пустыне Блэк-Рок 15 октября 1997 года.

В рамках проекта Bloodhound LSR в 2020 году планируется попытка установления рекорда на месторождении Хакскин Пан в Южной Африке с комбинированным реактивным и гибридным ракетным двигателем. Цель состоит в том, чтобы побить существующий рекорд, а затем предпринять дальнейшие попытки, во время которых команды надеются достичь скорости до 1600 км / ч (1000 миль в час). Первоначально проект возглавлял Ричард Ноубл, который был лидером проекта ThrustSSC, однако из-за проблем с финансированием в 2018 году команда была куплена Яном Уорхерстом и переименована в Bloodhound LSR. В новом проекте сохранены многие из первоначального инженерного состава Bloodhound SSC, а Энди Грин по-прежнему является лидером в попытках установить рекорд, а испытания на высоких скоростях, как ожидается, начнутся в октябре 2019 года.

Параметры подобия

Параметры газовых потоков принято описывать набором критериев подобия, которые позволяют свести практически бесконечное число физических состояний в группы подобия и которые позволяют сравнивать газовые потоки с разными физическими параметрами (давление, температура, скорость и пр.) между собой. Именно на этом принципе основано проведение экспериментов в аэродинамических трубах и перенос результатов этих экспериментов на реальные летательные аппараты, несмотря на то, что в трубных экспериментах размер моделей, скорости потока, тепловые нагрузки и пр. могут сильно отличаться от режимов реального полёта, в то же время, параметры подобия (числа Маха, Рейнольдса, Стантона и пр.) соответствуют полётным.

Для транс- и сверхзвукового или сжимаемого потока, в большинстве случаев таких параметров как число Маха (отношение скорости потока к местной скорости звука) и Рейнольдса достаточно для полного описания потоков. Для гиперзвукового потока данных параметров часто бывает недостаточно. Во-первых, описывающие форму ударной волны уравнения становятся практически независимыми на скоростях от 10 М. Во-вторых, увеличенная температура гиперзвукового потока означает, что эффекты, относящиеся к неидеальным газам становятся заметными.

Учет эффектов в реальном газе означает бо́льшее количество переменных, которые требуются для полного описания состояния газа. Если стационарный газ полностью описывается тремя величинами: давлением, температурой, теплоёмкостью (адиабатическим индексом), а движущийся газ описывается четырьмя переменными, которая включает еще скорость, то горячий газ в химическом равновесии также требует уравнений состояния для составляющих его химических компонентов, а газ с процессами диссоциации и ионизации должен еще включать в себя время как одну из переменных своего состояния. В целом это означает, что в любое выбранное время для неравновесного потока требуется от 10 до 100 переменных для описания состояния газа. Вдобавок, разреженный гиперзвуковой поток (ГП), обычно описываемый в терминах чисел Кнудсена, не подчиняются уравнениям Навье-Стокса и требуют их модификации. ГП обычно категоризируется (или классифицируется) с использованием общей энергии, выраженной с использованием общей энтальпии (мДж/кг), полного давления (кПа) и температуры торможения потока (К) или скорости (км/с).

Для инженерных приложений У. Д. Хэйес развил параметр подобия, близкий к правилу площадей Виткомба, который позволяет инженерам применять результаты одной серии испытаний или расчетов, выполненных для одной модели, к разработке целого семейства подобных конфигураций моделей, при этом не проводя дополнительных испытаний или подробных расчетов.

Литература

Блистательные перспективы и скромные реалии линкора «Тирпиц»

Заброневая контузионная травма

Обычно люди, когда видят результаты тестов, оценивают бронежилет в ключе «пробило/не пробило». Но даже если бронежилет не окажется пробитым, кинетическая энергия пули должна куда-то деваться. В случае с металлической плитой эта энергия передастся человеку, на котором эта пластина надета, в результате чего и будет нанесена так называемая заброневая (запреградная) травма.

Заброневая контузионная травма — повреждение кожного покрова и (или) внутренних органов человека от динамических нагрузок, возникающих при взаимодействии средств поражения с защитной структурой бронеодежды при получении кондиционных поражений. В свою очредь, кондиционное поражение защитной структуры бронеодежды – отсутствие проникания пули и продуктов взаимодействия пули с защитным элементом, а также глубины проникания (длина выхода) более 5 мм лезвия холодного оружия за тыльную сторону защитной структуры бронеодежды.

Например, выстрел из обычного пистолета ПМ со скоростью пули 315 м/с можно сравнить с ударом 2-килограммовой кувалды. И последствия могут быть самые разные, в зависимости от типа боеприпаса, дальности, угла попадания и места удара. Все может закончиться как легкими ссадинами, кровоподтеками и гематомами, но в тяжелых случаях могут быть и переломанные ребра, разрывы сосудов и повреждения внутренних органов.

При испытаниях на запреградную травму бронежилет кладут на баллистический пластилин, а после отстрела изучают оставленные на нем углубления. В США, например, допускается вмятина до 44 мм, при этом вероятность летального исхода составляет 10%. Нужно понимать, что непробитый жилет в одном из десяти случаев все же может означать смертельный исход.Естественно, самими бронеплитами разработчики не ограничиваются, снабжая готовую продукцию дополнительными слоями для безопасности владельца. Это, в первую очередь, амортизационно-климатический подпор, который минимизирует заброневую травму, а также обеспечивает достаточную вентиляцию.

«Чёрная суббота»

«День, когда мог кончиться календарь» или «чёрная суббота» — так назвали 27 октября 1962 года. Этот день можно назвать днём наибольшей напряжённости между двумя странами. За день до этого над Кубой сбит американский самолёт-разведчик. Через несколько часов происходит «столкновение» американских военно-морских сил с советской подводной лодкой «Б-59» (при котором последнюю засекли и заставили всплыть) под командованием капитана В. Г. Савицкого. Однако начала войны удалось избежать.

Несколько дней до этого (22 октября 1962 года) Джон Ф. Кеннеди (1917–1963) сообщил американцам о наличии ракет на Кубе и объяснил своё решение ввести военно-морскую блокаду вокруг Кубы (которая расположена всего в 150 км от берегов США), тем самым дав понять, что США готовы применить силу для нейтрализации возможной угрозы национальной безопасности. После такого сообщения многие опасались, что это событие станет началом ядерной войны.

Советская подводная лодка не имела связи с Москвой, и, исходя из действий американских военных, командование решило, что война уже началась. Офицерский состав должен был проголосовать за удар или против, и только в случае единодушного согласия можно бы было начать атаку. Против проголосовал лишь один — В. А. Архипов, тем самым остановив применение атомного оружия и начало ещё одной войны.

Узнайте также про Первую мировую войну и Афганскую войну.

Объявления о продаже ГАЗ 69