Когда Россия соревнуется против своих собственных разработок
В апреле 2017 года согласно сообщениям российских информационных агентств и со ссылкой на источники в российском оборонном ведомстве стало известно, что в Российской Федерации проведены первые успешные испытания гиперзвуковой крылатой ракеты «Циркон». Утверждается, что в 2017 году «Циркон» проходит государственные испытания и, возможно, будет принят на вооружение уже в ближайшее время.
Как поменяется картина глобального военного противостояния после появления у противоборствующих сторон гиперзвуковых ракет и в чём состоит их принципиальная разница от предыдущего, сверхзвукового поколения крылатых ракет?
Новости партнеров
Необходимый экскурс в физику: гиперзвуковой барьер
Греческая приставка «гипер-» обозначает то же, что и русская приставка «сверх-» и обычно переводится «над», «чрезмерно» или «сверху». Получившееся со сверхзвуковой и гиперзвуковой скоростью «масло масляное» никого не смущает (в английском языке, кстати, присутствует та же ситуация с терминами supersonic и hypersonic) — все находящиеся «в теме» специалисты знают, что под сверхзвуковой скоростью подразумевается диапазон скоростей в 1-5 Махов, в то время как гиперзвуком называют скорости в 5-17 Махов. 1 Мах — это скорость звука в воздухе, она и определяет условные границы дозвукового, сверхзвукового и гиперзвукового движения.
Таким образом, сверхзвуковое движение — это перемещение тела со скоростью, превышающей скорость звука в среде, а гиперзвуковое движение — это перемещение тела со скоростью, превышающей пятикратную скорость звука в той же среде.
Упоминание «воздуха» или, если говорить шире, «среды» в определении сверхзвукового и гиперзвукового движения, как и использование безразмерных единиц Маха, — неслучайно. Связано это с тем, что при описании движения самолёта или ракеты в плотной внешней среде вы просто обязаны учитывать всё многообразие взаимодействий вашего летательного аппарата и среды — лобовое сопротивление, трение, подъёмную силу или аэродинамическое качество, в то время как при движении в относительном вакууме по околоземной орбите вы можете этими эффектами просто пренебречь.
Именно в силу наличия среды (атмосферного воздуха) при возвращении с орбиты скорость в 7,9 км/секунду неизбежно превращается в 23 Маха, как только космический корабль сталкивается с земной атмосферой. После этого он уже не может двигаться по инерции и пребывать на околоземной орбите, так как тут же начинается процесс его торможения о земную атмосферу, тут же вызывающий сход спутника, головной части ракеты или же спускаемого аппарата космического корабля с околоземной орбиты.
Гиперзвуковое движение и гиперзвуковой полёт
Однако отнюдь не всякое гиперзвуковое движение можно назвать гиперзвуковым полётом. В конце концов, в бытовом плане «летит» и брошенный вами камень, только вот никто его не рассматривает как «летательный аппарат».
Новости партнеров
Необходимым условием для того, чтобы назвать движущееся в атмосфере тело «летательным аппаратом», является так называемое аэродинамическое качество — отношение подъёмной силы аппарата к его лобовому сопротивлению. Обычно лобовое сопротивление рассматривается как вредное воздействие, в то время как подъёмная сила расценивается как полезная, так как позволяет, например, осуществлять горизонтальный или вертикальный манёвр. С этой точки зрения спускаемые аппараты советского космического корабля «Союз» и американского «Аполлона» не были гиперзвуковыми летательными аппаратами, хотя и двигались в земной атмосфере с гиперзвуковыми скоростями, так как имели аэродинамическое качество в диапазоне 0,25-0,368. Однако даже такой скромный коэффициент позволил этим спускаемым аппаратам осуществлять так называемый «спуск по аэродинамической траектории» с перегрузками в 4-6 g, в то время как первые советские космические корабли «Восток», у которых аэродинамическое качество было в районе 0,05–0,1, падали по «баллистической траектории» и мучили первых советских космонавтов запредельными перегрузками в 9 g.
Баллистическая траектория — это стандартная траектория ядерных боеголовок первых поколений баллистических ракет, которые стояли в 1960–1980-е годы на вооружении СССР, США и КНР. Такие ракеты и их головные части хоть и двигались с гиперзвуковыми скоростями на конечном участке выведения и на участке входа в атмосферу, не могли маневрировать и менять свою траекторию, в силу чего становились лёгкой добычей для ракет системы ПРО.
После разработки в СССР и в США сверхскоростных ракет-перехватчиков (в СССР — система 53Т6 «Газель», в США — система «Спринт»), которые в течение нескольких секунд достигали скорости в 17 Махов, стало ясно, что такие ракеты ПРО могут перехватить даже боеголовку, которая заходит по баллистической траектории на свою цель, для этого лишь было необходимо её обнаружить и вовремя запустить ракету-перехватчик в выбранную точку встречи.
Логичным ответом на такого рода противоядие стала разработка управляемых гиперзвуковых боевых блоков. Первыми в этом направлении добились успеха в СССР — для знаменитой МБР Р-36М2 «Воевода» (SS-18 Satan в западной классификации) в днепропетровском ОКБ «Южное» в конце 1970-х годов разработали управляемый боевой блок 15Ф178. Блок был оснащён достаточно простой системой маневрирования, которая представляла из себя отклоняемый конус на носу блока. Такой конус позволял на гиперзвуковых скоростях управлять блоком без применения двигателей. В 1980-х годах было проведено шесть испытаний управляемого гиперзвукового блока, а после распада СССР работы были продолжены на подмосковном «НПО Машиностроение». Проект получил название МБР «Альбатрос» и предполагал создание ракеты с маневрирующим и планирующим гиперзвуковыми блоками, которая могла бы осуществлять неожиданный гиперзвуковой манёвр до 1000 километров по горизонтали и поражать цели в непредсказуемых местах и с неожиданных направлений, полностью обесценивая усилия системы ПРО по перехвату блоков. С другой стороны, стало понятно, что управляемые гиперзвуковые блоки всё-таки имеют свои ограничения — их аэродинамическое качество хоть и позволяло изменять траекторию падения, всё же было недостаточным для настоящего управляемого гиперзвукового полёта, так как любой их манёвр сопровождался неизбежной потерей скорости и высоты. Для управляемого боевого блока, летящего «один раз», это было несущественно, но всё-таки гиперзвуковыми летательными аппаратами их можно было назвать чисто условно.
В середине 1990-х годов работы над МБР «Альбатрос» и гиперзвуковыми блоками для неё были прекращены, но уже через несколько лет на месте закрытой темы «Альбатроса» были развёрнуты работы над новыми гиперзвуковыми маневрирующими блоками для ракеты «Тополь-М» и её развития — МБР «Ярс», а также созданы гиперзвуковые блоки для других ракет нового поколения — «Сармата» и «Булавы».
На сегодняшний день, по неофициальным данным, все вновь принимаемые в России на боевое дежурство баллистические ракеты оснащаются управляемыми гиперзвуковыми боевыми блоками, что кратно повышает их живучесть и способность проникать даже через эшелонированные системы глобального ПРО.
США и Китай — мы тоже в деле!
Понятно, что создание в России гиперзвукового управляемого боевого блока и массовое разворачивание его на серийных МБР, вызвало симметричный ответ со стороны США и Китая.
Новости партнеров
В США основная программа разработки управляемых гиперзвуковых блоков получила название Advanced Hypersonic Wheapon (AHW) и включала в себя два испытания (в 2011 и в 2014 году), второе из которых закончилось неудачно. Как оказалось, даже планирование на гиперзвуковых скоростях сопряжено с целым рядом неприятных аэродинамических эффектов, которые делают задачу создания управляемого блока отнюдь не столь тривиальной задачей.
С похожими проблемами по разработке гиперзвуковых блоков столкнулся и Китай, в планы которого входит создание управляемого блока DH-17 (иногда называемого DF-ZF). Этот блок уже семь раз испытывался в КНР (в 2014–2017 годах), и, хотя результаты испытаний не оглашаются, со стороны Китая прозвучало заявление, что система будет готова не ранее 2020 года. Формально DH-17 объявлен «научным гиперзвуковым планером», однако и американские, и российские военные эксперты уверены в его военном назначении. Впрочем, задержка в создании DF-ZF может быть связана и с тем, что китайские военные замахнулись на создание не просто управляемого баллистического блока (боеголовки с управляющим отклоняемым конусом), но полноразмерного гиперзвукового планера, который может осуществлять сложный атмосферный манёвр. В таком случае китайский аппарат должен обладать уже гораздо более серьёзным аэродинамическим качеством, сравнимым с параметрами космических «челноков» (у «Спейс Шаттла» оно составляло 1, а у «Бурана» — 1,3). Конечно, это по-прежнему напоминает «полёт топора», для сравнения: у первого планера братьев Райт аэродинамическое качество составляло 6,5, а у серийного сверхзвукового бомбардировщика Ту-160 аэродинамическое качество больше 19. Однако такой аппарат может лететь по гораздо более сложным траекториям, нежели простой управляемый гиперзвуковой блок, что делает процесс его перехвата системой ПРО ещё более нетривиальной задачей.
Схожую концепцию «хорошего гиперзвукового летательного аппарата» начали разрабатывать и в США, где в 2010 и в 2011 годах было проведено два испытания гиперзвукового аппарата Falcon HTV-2 по секретной программе правительственного агентства DARPA. Оба испытания закончились неудачно, хотя аппарат и развил, согласно сообщениям при планировании, скорость в 20 Махов, в испытании 2010 года связь с ним была утрачена на 9-й минуте полёта, а в испытании 2011 года HTV-2 смог продержаться чуть дольше, просуществовав целых 26 минут. Впрочем, даже это не спасло программу Falcon HTV-2 от фактического закрытия — результаты испытаний были признаны неудовлетворительными.
И всё-таки нам нужен двигатель…
Надо сказать, что все до сих пор перечисленные системы используют всё-таки пассивный гиперзвуковой полёт — у них нет своего гиперзвукового двигателя.
Связано это с тем, что процесс гиперзвукового горения топлива схож с попытками удержать пламя свечи, стоя посреди бушующего шторма. Даже специальное керосиновое топливо горит при гиперзвуковых скоростях крайне неохотно, всё время пытаясь погаснуть в набегающем ураганном потоке встречного воздуха, используемого как окислитель.
В обычных ракетах на жидком или твёрдом ракетном топливе это решается тем, что гиперзвуковой поток воздуха просто отсекается от камер сгорания, а ракета использует в качестве компонента топлива или жидкий окислитель из баков (ЖРД — жидкостной ракетный двигатель), или же составную часть твёрдого топлива (РДТТ — ракетный двигатель твёрдого топлива). Платой за такую роскошь «возить с собой» оба компонента топлива является низкая эффективность ЖРД и РДТТ, которая характеризуется их низким удельным импульсом — мерой эффективности реактивного двигателя.
Удельный импульс измеряется в секундах и соответствует времени, на протяжении которого двигатель может развивать тягу в 1 килограмм-силу (10 ньютонов в системе СИ) при использовании топлива массой в 1 килограмм (весом в 10 ньютонов). В простом запоминании — «сколько секунд можно пролететь на одном килограмме топлива, поднимая ракету в 1 килограмм».
Для хорошего РДТТ этот параметр составляет около 270 секунд. Хороший ЖРД чуть более эффективен — его при таких модельных условиях хватит на 450 секунд полёта. А вот гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ГПВРД) где-то в 3 раза эффективнее ЖРД, показывая удельный импульс в 1200 секунд при 5 Махах и медленно снижая свою эффективность до тех же самых 450 секунд при 17 Махах. При более высоких скоростях лучше уже лететь на низкоэффективных ЖРД, тем более что при таких скоростях обычно требуется и большая высота полёта (40–50 километров), на которой просто трудно обеспечить двигателю достаточное количество кислорода из окружающего воздуха.
Первые работающие ГПВРД были созданы в конце существования СССР в рамках экспериментальной программы «Холод». Такое название программа получила неслучайно — в качестве горючего для двигателя экспериментальных ракет использовался жидкий водород. Водород является самым эффективным жидким топливом (теоретически на нём можно обеспечить удельный импульс в 8000 секунд на скорости в 5 Махов), однако он очень неудобен для боевой ракеты — её надо заправлять прямо перед стартом, а для заправки ракеты приходится использовать сложное криогенное оборудование.
В силу этого момента «Холод» так и остался в СССР, а потом и в России экспериментальной разработкой, хотя и позволил получить массу уникальных научных данных об условиях управляемого гиперзвукового полёта и гиперзвуковых двигателях. С другой стороны, полученные при разработке «Холода» заделы впоследствии были использованы в создании серийной гиперзвуковой ракеты, которая и получила уже упоминавшееся название «Циркон».
Судя по всему, «Циркон» использует в качестве топлива уже не водород, а обычный (хотя и высокотехнологичный, со специальными присадками) керосин. Это очевидно не только исходя из требований к боевой ракете, но и учитывая тот факт, что «Цирконы» используют те же пусковые установки (ЗС14), что и предыдущее поколение противокорабельных крылатых ракет — сверхзвуковые «Ониксы». Использование жидкого водорода сразу бы подняло габаритные размеры ракеты — даже в жидком виде этот химический элемент занимает очень большой объём. Дальность стрельбы «Цирконом», согласно открытым данным, составляет около 400 километров; максимальная скорость ракеты указывается в районе 4-6 Махов. Практически это означает, что цель будет поражена «Цирконом» менее, чем через 4 минуты после запуска даже на предельном расстоянии в 400 километров, а его скорость около 2 км/секунду и возможность резкого манёвра на гиперзвуковой скорости делают его максимально сложной целью для любой системы ПВО. Таким образом, уже в ближайшее время в распоряжении российской армии может появиться новый «убийца авианосцев», который сможет по весьма «умеренной цене» отправить на дно любую гордость американского ВМФ.
Х-51, наследница «Холода»
Впрочем, и у США всё-таки есть свои успешные проекты в области гиперзвукового полёта. После массы деклараций и красивых проектов 1980-х годов, когда в США даже всерьёз рассматривали создание гиперзвукового пассажирского самолёта Х-30, выяснилось, что реальных результатов по разработке ГПВРД — с гулькин нос.
В итоге, конечно, никакого 150-местного Х-30 у американцев не вышло — для него не оказалось не только двигателя, но и нужных конструкционных материалов, а вопросы безопасности для пассажирского гиперзвукового самолёта даже не ставились. В реальности же в США был создан крошечный гиперзвуковой самолётик Х-43 (длина 3,66 м, размах крыльев 1,52 м, масса 1400 кг), при создании которого были использованы результаты исследований, полученные в СССР на гиперзвуковом летательном аппарате «Холод».
Дошло до смешного: последние эксперименты по программе «Холод», проходившие в ельцинской России, шли практически полностью по заказу NASA, которое и воспользовалось результатами испытаний советского, а теперь российского ГПВРД в своих разработках.
В итоге американцы уже к середине 2000-х годов добились устойчивых результатов на своём Х-43: после неудачи первого пуска второй полёт гиперзвукового аппарата прошёл уже в устойчивом режиме, а в третьем полёте, который случился 16 ноября 2004 года, гиперзвуковая лаборатория Х-43 показала рекордную скорость в 9,6 Маха.
Впоследствии результаты испытаний Х-43 были использованы американцами в следующей разработке — крылатой ракете Х-51, которая, как и российский «Циркон», перешла на керосин в качестве горючего. Разработка Х-51 идёт в рамках концепции «быстрого глобального удара», основная цель которого — сократить подлётное время высокоточных крылатых ракет и обеспечить обезоруживающий удар по штабам вероятного противника США. Испытания ракеты Х-51 были проведены в 2009–2013 годах, а принятие на вооружение планируется в середине 2020-х годов, после того как экспериментальная по сути Х-51 будет переработана в серийную ракету High Speed Strike Weapon (HSSW), которая сможет устанавливаться на истребители F-35 и бомбардировщики В-2.
Параметры будущего HSSW уже ясны — как и «Циркон», эта ракета будет иметь крейсерскую гиперзвуковую скорость. Однако для HSSW она составит 5-8 Махов против 4-6 Махов у «Циркона», что определит и больший радиус поражения, который заявлен в пределе 920-1100 километров (500-600 морских миль).
Это означает, что расстояние в 1000 километров (например, как от акватории Балтийского моря возле польского Гданьска до Москвы) такая ракета может преодолеть за неполных 6 минут, при этом не попадая под договоры об ограничении ракет средней и малой дальности и крылатых ракет. Такие возможности делают HSSW достаточно грозным оружием и заставляют всерьёз расценивать гиперзвуковое оружие как серьёзную угрозу.
Тем не менее у России как минимум уже есть «Циркон» и ещё около десяти лет в запасе, чтобы найти адекватный ответ на угрозу HSSW, которая, к сожалению, тоже создана на основе достижений советского и российского гения, проложившего дорогу к гиперзвуковому движению.
