Hyperäänilentokone ( GZLA ) on ilma-alus (LA), joka pystyy lentämään ilmakehässä yliääninopeudella (suurempi tai yhtä suuri kuin 5 Mach ) ja ohjaamaan aerodynaamisia voimia käyttäen.
Tähän nopeuteen kykenevä siivekäs lentokone voi liukua paljon suuremmille etäisyyksille kuin perinteinen lentokone, koska liukumisesta tulee "dynaaminen".
Ilma-alusten jaolla "aliääninopeudella", " yliääninopeudella " ja " yliäänellä " on melko vankka fyysinen perusta ja se heijastaa ilma-aluksen ja ilman vuorovaikutuksen ilmiöiden olemusta: lento hyperäänenopeuksilla on aivan yhtä perustavanlaatuinen kuin lento yliäänenopeuksilla, koska jälkimmäinen eroaa lennosta aliäänenopeuksilla [1] [2] [3] .
GZLA voi olla ilman moottoreita tai varustettu erityyppisillä propulsiojärjestelmillä [4] : nesterakettimoottorit (LPRE), yliäänirakettimoottorit ( scramjet-moottorit) [5] , kiinteän polttoaineen rakettimoottorit (RDTT) (sekä teoreettisesti ydinrakettimoottorit ). (NRE) ) ja muut), mukaan lukien tällaisten moottoreiden ja vahvistimien yhdistelmä. Toisin sanoen termi "yliääninen" tarkoittaa laitteen kykyä liikkua yliäänenopeuksilla ilmassa käyttämällä sekä moottoreita että ilmaa muodossa tai toisessa.
Teknologian potentiaalin vuoksi organisaatiot ympäri maailmaa tutkivat hypersonic-lento- ja scramjet -kehitystä . Ilmeisesti ensimmäinen sovellus koskee ohjattuja sotilasohjuksia, koska tämä alue vaatii vain lentokonetilan korkeusalueella, ei kiihdytystä kiertoradan nopeuteen. Näin ollen tärkeimmät varat tämän alan kehitykseen menevät juuri sotilassopimusten puitteissa.
Hypersoniset avaruusjärjestelmät voivat hyötyä tai ei hyötyä scramjet -asteiden käytöstä . Scramjetin ominaisimpulssi tai hyötysuhde on teoriassa 1000-4000 sekuntia , kun taas raketin tapauksessa tämä arvo ei ylitä 470 sekuntia vuonna 2009 [6] [7] , mikä tarkoittaa periaatteessa paljon halvempaa pääsyä avaruuteen. Tämä luku kuitenkin pienenee nopeasti nopeuden kasvaessa ja myös nosto- vastussuhde heikkenee . Merkittävä ongelma on scramjetin työntövoiman pieni suhde sen massaan, [8] joka on 2, mikä on noin 50 kertaa huonompi kuin tämä rakettimoottorin indikaattori . Tätä kompensoi osittain se, että painovoiman kompensoinnin kustannukset varsinaisessa lentokonetilassa ovat mitättömät, mutta pidempi oleskelu ilmakehässä merkitsee suurempia aerodynaamisia häviöitä.
Scramjet - moottorilla toimivan matkustajakoneen pitäisi lyhentää merkittävästi matka-aikaa pisteestä toiseen, jolloin mikä tahansa piste maapallolla on saavutettavissa 90 minuutissa . Edelleen jää kuitenkin kysymyksiä siitä, pystyvätkö tällaiset ajoneuvot kuljettamaan tarpeeksi polttoainetta lentääkseen riittävän pitkiä matkoja ja voivatko ne lentää riittävällä korkeudella välttääkseen yliäänilentoihin liittyvät ääniefektit. Epävarmoja kysymyksiä on myös, jotka liittyvät tällaisten lentojen kokonaiskustannuksiin ja mahdollisuuteen käyttää ajoneuvoja useaan otteeseen hypersonic-lennon jälkeen.
Historiassa GZLA:t toteutettiin useiden testilentokoneiden , miehittämättömien ilma - alusten ja kiertoratavaiheiden - uudelleenkäytettävien avaruusalusten avaruuslentokoneiden (MTKK) -muodossa . On myös ollut ja on edelleen suuri määrä tämäntyyppisten ajoneuvojen hankkeita, samoin kuin ilmailujärjestelmiä ( kiertoratalentokoneita ), joissa on yliäänitehoste- ja kiertoratavaiheet tai yksivaiheiset AKS- avaruusalukset ja matkustaja-avaruuskoneet.
Yksi GLA:n ensimmäisistä yksityiskohtaisista hankkeista oli toteuttamatta jäänyt Zenger -projekti osittaisen kiertoradan taisteluavaruuspommittajan " Silbervogel " ( hopealintu ) luomiseksi natsi-Saksassa .
Toisin kuin avaruuslentokoneita, koska avaruusaluksia luotaessa tarvitaan monimutkaisempia propulsio- ja rakenneteknologioita, yhtäkään avaruusalusprojekteista ei ole toistaiseksi toteutettu.
1960-luvulla Yhdysvallat toteutti ohjelman kehittää ja lentää kokeellista rakettilentokonetta North American X-15 , josta tuli ensimmäinen historiassa ja 40 vuoden ajan ainoa GLA-lentokone, joka suoritti suborbitaalisia miehitettyjä avaruuslentoja . Yhdysvalloissa 13 hänen lennostaan on yli 80 km, ja maailmassa ( FAI ) - 2, joissa 100 km:n avaruusraja ylitettiin, tunnustetaan suborbitaalisiksi miehitetyiksi avaruuslennoiksi, ja niiden osallistujat ovat astronauteja .
Samanlaisia ohjelmia Neuvostoliitossa ja muissa maissa.
2000- luvun alussa alkoi kehittyä yksityinen avaruusmatkailu , jonka mukaisesti syntyi ja kehittyy useita hankkeita yksityisistä suborbitaalisista uudelleenkäytettävistä miehitetyistä avaruusaluksista, joissa on avaruuslentokoneita, jotka suorittavat hyperäänilentoa nousu- ja laskuradalla. Vuonna 2004 tehtiin Virgin Galactic -yhtiön ensimmäisen tällaisen laitteen SpaceShipOne lennot . Ohjelman kehitystyö oli SpaceShipTwo . Sub-orbitaalinen LYNX ja muut yksityiset ajoneuvot on tarkoitus olla seuraava .
Projekteja on myös yliäänisille suborbitaalisille matkustajalentokoneille (esim. SpaceLiner , ZEHST , HEXAFLY-INT ( High-Speed Experimental FLY Vehicles - International, High-Speed Experimental Aircraft ) [9] ) ja nopean toiminnan sotilaskuljetusajoneuvoihin . .
Kaikissa siivellisissä MTKK:ssa ja AKS:ssä niiden kiertoradalle saapuva toinen (avaruuslentokone) tai ainoa (avaruusalus) vaihe suorittaa hyperäänilennon laskeutumisradalla, ja joissakin - yksi- tai kaksivaiheisissa järjestelmissä vaakalaukaisulla - myös nousun aikana.
1960-luvulla ja myöhemmin Yhdysvalloissa ja Neuvostoliitossa oli olemassa orbitaalisten avaruuslentokoneiden projekteja, mutta niitä ei toteutettu. X-20 Dyna Soar -projektit Yhdysvalloissa ja Lapotok LKS Neuvostoliitossa tarjosivat kiertoratalentokoneiden pystysuoran laukaisun tavanomaisille kantoraketeille (LV), joista tuli GLA vasta palattuaan. Neuvostoliiton toteuttamattomassa projektissa AKS Spiral ja ylempi vaihe (kiihdytinlentokone) ja kiertoratalentokone olivat hyperääni- ja vaakasuuntaisia yhteislaukaisua ja erillistä laskua.
Yhdysvalloissa 1980-2000-luvuilla. MTKK:n avaruussukkulan historian ensimmäisestä kiertorata-avaruuslentokoneesta laadittiin yli 100 lennon kattava ohjelma . Samanlainen, mutta kantoraketilla laukaisu, Neuvostoliiton avaruuslentokone Buran teki vain yhden lennon kiertoradalle. Sitä edelsivät avaruuslentokoneiden BOR-4 ja BOR-5 prototyyppien suborbitaaliset ja orbitaaliset koelennot , jotka myös laukaistiin kantoraketilla.
1990- ja 2000-luvuilla oli olemassa useita uudelleenkäytettävien avaruuskuljetusjärjestelmien ja AKS-hankkeita, mutta ne peruttiin käytännön toteutusvaiheeseen: Venäjällä - tavanomaisesta lentokoneesta laukaisu MAKS -avaruuskone ja RAKS- avaruusalus , Yhdysvalloissa - yksittäinen -vaiheen VentureStar- avaruusalus pystysuoralla laukaisulla ja vaakasuoralla laskeutumisella sekä NASP (Rockwell X-30) vaakalaukaisulla ja -laskulla , Ranskassa ja Euroopan unionissa - Hermes -avaruuslentokone laukaistiin kantoraketilla , Japanissa - laukaisussa laukaistu HOPE -avaruuskone ajoneuvo (sen prototyyppi HIMES lensi kiertoradalle ) ja kaksivaiheinen ASSTS vaakasuoralla laukaisulla ja laskulla, Saksassa - kaksivaiheinen Zenger-2 vaakasuuntaisella laukaisulla ja laskulla, Isossa-Britanniassa - yksivaiheinen HOTOL , jossa on vaakasuora laukaisu ja lasku, Intiassa - Hyperplane -avaruuslentokone laukaistiin kantoraketilla jne.
2000-luvun alussa Venäjällä oli projekti, mutta tavanomaisella kantoraketilla laukaistu osittain uudelleenkäytettävän siivekäs Clipper -avaruusaluksen projekti peruttiin.
Yhdysvalloissa Boeing X-37 -projekti jatkuu kantoraketilla laukaisun kokeellisen avaruuslentokoneen kiertoradalle. Projekteja kehitetään: Isossa-Britanniassa - yksivaiheinen AKS-avaruusalus Skylon , jossa on vaakasuora laukaisu ja lasku, Intiassa - prototyyppi avaruuslentokone, joka laukaistiin yksivaiheisen AKS-avaruusaluksen RLV / AVATAR kantoraketilla vertikaalisella laukaisulla ja vaakasuora lasku Kiinassa - kantoraketilla laukaistu avaruuslentokone ja sen prototyyppi Shenlong ja kaksivaiheinen MTKK vaakasuoralla laukaisulla ja laskulla jne.
Erityisten kokeellisten miehittämättömien GLA:iden projekteja kehitetään ja toteutetaan testatakseen mahdollisuuksia luoda kahden ja yksivaiheisen uudelleenkäytettävän kuljetus-ACS:n (avaruuslentokoneita ja avaruusaluksia) seuraavien sukupolvien sekä rakettimoottorien rakentamisen ( scramjet ) ja muiden edistyksellisiä teknologioita.
Miehittämättömiä GLA-projekteja tuotiin eri käyttöönottovaiheisiin Yhdysvalloissa - Boeing X-43 , Venäjä - "Cold" ja "Needle" , Saksa - SHEFEX (avaruuslentokoneen prototyyppi), Australiassa - AUSROCK ja muissa.
Aikaisemmin kehitettiin useita projekteja kokeellisille ja taisteluristeilyille (esimerkiksi X-90 Neuvostoliitossa) ja ei- risteilyille (esimerkiksi X-45 Neuvostoliitossa) ohjuksille, jotka saavuttavat hyperääninopeuden.
2000-luvulla kehitys jatkui: esimerkiksi 20. huhtikuuta 2010 suoritettiin ensimmäinen yhdysvaltalaisen DARPA Falcon HTV-2:n suunnittelevan hypersonic- ohjatun taistelukärjen testi ja 26. toukokuuta 2010 US X-51 :n ensimmäinen testi. Waverider hypersonic risteilyohjus tapahtui . Yhdysvaltain puolustusministeriö suoritti 18. marraskuuta 2011 toisen AHW -projektin liukuvan hypersonic-kärjen ensimmäisen testin [10] .
Tammikuussa 2014 tuli tunnetuksi, että Kiina testasi WU-14- hyperäänikärkeä 10 Machin nopeudella .
Venäjällä kehitetään ja testataan Yu-71 (4202) [11] [12] [13] hypersonic-kärkiä - alunperin Sarmat ICBM -kärkiä , joka johti itsenäiseen projektiin (nopeus jopa 11 Machiin) [14] . MIG-31- koneisiin perustuva Kinzhal - hypersonic-ohjusjärjestelmä on venäläinen hypersonic-laivantorjuntaohjusjärjestelmä, joka on ollut koeaseistuksessa 1.12.2017 lähtien. Myös Zircon -hypersonic-laivojen risteilyohjus on kehitteillä Venäjällä. .
X-30 :n kaltaisen hypersonic-lentokoneen etuna on kuljetettavan hapettimen määrän poistaminen tai vähentäminen . Esimerkiksi MTKK:n avaruussukkulan ulkosäiliö sisältää laukaisun yhteydessä 616 tonnia nestemäistä happea (hapetin) ja 103 tonnia nestemäistä vetyä ( polttoainetta ). Tämä avaruussukkula-avaruuslentokone itse painaa laskeutuessaan enintään 104 tonnia. Siten 75 % koko rakenteesta on kuljetettua hapetinta. Tämän ylimääräisen massan poistamisen pitäisi keventää venettä ja toivottavasti lisätä hyötykuorman osuutta . Jälkimmäistä voidaan pitää päätavoitteena scramjetin tutkimisessa sekä mahdollisuus alentaa rahdin kiertoradalle toimittamisesta aiheutuvia kustannuksia.
Mutta on tiettyjä haittoja:
Alhainen työntövoima-painosuhdeNestemäisen polttoaineen rakettimoottori (LRE) erottuu erittäin korkeasta työntövoima-painosuhteesta (jopa 100:1 tai enemmän), mikä mahdollistaa rakettien korkean suorituskyvyn kuljettaessaan rahtia kiertoradalle. Päinvastoin, scramjetin työntövoiman suhde sen massaan on noin 2, mikä tarkoittaa moottorin osuuden kasvua kantoraketin massassa (ottamatta huomioon tarvetta pienentää tätä arvoa vähintään neljä kertaa hapettimen puute). Lisäksi scramjet-moottorin alemman nopeusrajan olemassaolo ja sen hyötysuhteen lasku nopeuden kasvaessa määrää tarpeen käyttää nestemäisiä polttoaineita sisältäviä rakettimoottoreita sellaisissa avaruusjärjestelmissä kaikkine puutteineen.
Lisämoottoreiden tarve kiertoradalle pääsemiseksiYliäänisuihkukoneiden teoreettinen toimintanopeusalue on 5-7 Machia ensimmäiseen avaruusnopeuteen 25 Mach , mutta kuten X-30- projektissa tehdyt tutkimukset ovat osoittaneet , ylärajan asettaa polttoaineen palamisen mahdollisuus ohituksessa. ilmavirta ja on noin 17 Mach . Siten tarvitaan toinen ylimääräinen suihkukiihdytysjärjestelmä ei-käyttöisellä nopeusalueella. Koska tarvittava ero nopeuksien täydennyksissä on merkityksetön ja PN :n osuus hypersonic-lentokoneen laukaisumassasta on suuri, erityyppisten ylimääräisten rakettivahvistimien käyttö on täysin hyväksyttävä vaihtoehto. Scramjet- tutkimuksen vastustajat väittävät, että tämäntyyppisten ajoneuvojen mahdolliset näkymät voivat ilmetä vain yksivaiheisissa avaruusjärjestelmissä. Näiden tutkimusten kannattajat väittävät, että monivaiheisten järjestelmien muunnelmat, joissa käytetään scramjet -moottoreita, ovat myös perusteltuja.
Mahdollisesti hypersonic-avaruusaluksen lämpösuojauksen alaosa täytyy kaksinkertaistaa, jotta ajoneuvo voidaan palauttaa pintaan. Ablatiivisen pinnoitteen käyttö voi tarkoittaa sen häviämistä kiertoradan jälkeen, aktiivinen lämpösuojaus polttoaineena jäähdytysnesteenä edellyttää moottorin toimintaa.
Polttoaineen ja hapettimen määrän vähentäminen hypersonic-ajoneuvojen tapauksessa merkitsee itse ajoneuvon kustannusten osuuden kasvua järjestelmän kokonaiskustannuksissa. Itse asiassa yhden scramjet-koneen hinta voi olla erittäin korkea verrattuna polttoaineen hintaan, koska ilmailulaitteiden hinta on vähintään kaksi suuruusluokkaa korkeampi kuin nestemäisen hapen ja sen säiliöiden hinta. Siksi scramjet-moottorilla varustetut ajoneuvot ovat oikeutetuimpia uudelleenkäytettäviksi järjestelmiksi. Ei ole täysin selvää, voidaanko laitteita käyttää uudelleen äärimmäisissä hypersonic-lennon olosuhteissa - kaikissa tähän mennessä suunnitelluissa järjestelmissä ei ole mahdollista palauttaa ja käyttää uudelleen.
Tällaisen laitteen lopullinen hinta on kiihkeän keskustelun aiheena, koska nyt ei ole selvää vakaumusta tällaisten järjestelmien näkymistä. Ilmeisesti, jotta se olisi taloudellisesti perusteltua, hypersonic-ajoneuvon hyötykuorman on oltava suurempi kuin kantoraketissa , jolla on sama laukaisumassa.