Недавно в США компании Velontra и Venus Aerospace с большой помпой представили прямоточный воздушно-реактивный (ПВРД) ротационный детонационный двигатель для гиперзвуковых самолётов VDR2, способный развивать скорость до 6 Махов.

Его прототип RDRE (rotating detonation rocket engine) в феврале этого года был испытан на беспилотнике, а в марте стало известно о стендовых статических огневых испытаниях соответствующей силовой установки.

Немного истории

Со времён Второй мировой войны тратились значительные усилия на исследования в области достижения больших скоростей реактивными самолётами и ракетопланами. В 1947 году экспериментальный ракетный самолёт Bell X-1 совершил первый в истории сверхзвуковой полёт. К 1960 году начали появляться предложения и проекты по полётам с гиперзвуковыми скоростями. За исключением проектов таких ракетопланов, как North American X-15, специально спроектированных для достижения больших скоростей, обычные скорости реактивных самолётов оставались в пределах 1–3 Мах.

Макет Bell X-1. © ru.wikipedia.org

Идея осталась неосуществлённой, поскольку предназначенный для испытаний Х-15A-2 разбился в ноябре 1967 года за несколько дней до запланированного полёта с работающим гиперзвуковым ПВРД (ГПВРД).

Советские разработки ГПВРД

В СССР разработкой подобных систем занимался Центральный институт авиационного моторостроения (ЦИАМ) имени П. И. Баранова, расположенный в Москве и Лыткарине. Ещё в 1970-х годах стартовали работы по созданию гиперзвукового ПВРД и гиперзвуковой летающей лаборатории (ГЛЛ) «Холод» на базе ракеты С-200, на которой в Казахстане было проведено уникальное лётное испытание гиперзвукового ПВРД на скорости 5,7 Mаха.

Первое в мире лётное испытание гиперзвукового ПВРД на ракете «Холод» состоялось 28 ноября 1991 года на полигоне Сары-Шаган в Казахстане всего за несколько недель до распада СССР. Аппарат достиг высоты 35 километров и развил скорость 1653 километра в секунду, или 3,6 Маха. Водородный ГПВРД проработал во время полёта в общей сложности 27,5 секунд.

Интересно отметить, что в ноябре 1994 года НАСА присоединилось к программе «Холод» и использовало этот проект для создания беспилотного экспериментального самолёта с ГПВРД, обозначенного как X-43A. Рекордные полёты ракеты X-43A впервые предприняты в марте 2004 года, всего через три года после последнего запуска «Холода».

Изображение беспилотного самолёта X-43A. © ru.wikipedia.org

Исследовательская гиперзвуковая летающая лаборатория «Игла» (ГЛЛ-ВК) предназначалась для фундаментального изучения проблем создания воздушно-космических самолётов и высокоскоростных воздушно-реактивных двигателей. Её макет впервые представлен на МАКС-99.

Воздушно-космический самолёт длиной 8 метров должен был обеспечить достижение скоростей 6–14 Мах. Высота полёта «Иглы» — 26–50 километров. Длительность автономного полёта — 7–12 минут. ГЛЛ-ВК предназначалась для отработки аэродинамики и теплозащиты гиперзвуковых ЛА с высоким аэродинамическим качеством (Kmax=3,15 при М=6). Вывод «Иглы» в верхние слои атмосферы должна была обеспечивать ракета-носитель лёгкого класса «Рокот». Посадка ВКС должна была осуществляться на парашюте. Но проект так и остался проектом.

Простой и недорогой в изготовлении и обслуживании

Что касается VDR2, то на этапе разгона до гиперзвуковой скорости он работает как прямоточный реактивный двигатель. У него нет никаких подвижных частей, что делает конструкцию простой и недорогой в изготовлении и обслуживании. То же самое относится к ротационно-детонационной части двигателя. Она представлена двумя соосными цилиндрами один в другом.

3D-визуализация работы двигателя VDR2. © Venus Aerospace

Топливо впрыскивается в простенок и поджигается. Возникают взрыв и ударная волна, движущаяся по простенку подобно торнадо. Такое решение повышает КПД — увеличивает плотность газов и фактически переводит в тягу больше энергии топлива. Подобные двигатели, помимо разгона до гиперзвуковых скоростей, обещают экономить до 15% горючего.

Запуск демонстратора с двигателем VDR2 запланирован на 2025 год. Недавно проект показан на мероприятии UP.Summit в Бентонвилле, штат Арканзас. Заявлено о создании двигателем тяги 0,907 тонны.

На самолётах с такими двигателями, которые будут разгонять их до скоростей от 6 до 9 Махов, можно будет долететь в любую точку Земли всего за час.

Не всё то золото, что блестит

На первых этапах создания гиперзвуковые двигатели обещали революционизировать воздушные перевозки, обеспечивая невероятную скорость и преимущества, которые невозможно достичь с использованием традиционных средств передвижения. Быстрые перелёты между городами и странами должны были стать реальностью, но не стали. И на это есть множество причин.

Во-первых, высокая стоимость лётных испытаний и невозможность полноценных наземных тестов сдерживают развитие гиперзвуковой авиации. Наземные испытания в основном сосредоточены на частичном моделировании условий полёта и производились в криогенных установках, газодинамических установках на базе ракетных двигателей, ударных тоннелях и плазмогенераторах. Все они лишь приближённо моделируют реальный полёт.

Во-вторых, использование ГПВРД увеличивает массу двигателя по сравнению с ракетой и уменьшает долю топлива.

В-третьих, самолёт с горизонтальным взлётом и ГПВРД должен быть оснащён дополнительными ТРД или ракетными ЖРД для взлёта и начального набора высоты и разгона, поскольку ГПВРД может эффективно работать только на скорости 5 Махов. Эти двигатели сами утяжеляют конструкцию самолёта, для них необходимы дополнительное топливо и системы обслуживания.

В-четвёртых, внезапное замедление потока воздуха в ГПВРД может привести к детонационному разрушению двигателя. Это явление получило название «помпаж». Вот как описывал помпаж на реактивном истребителе Герой Советского Союза, заслуженный лётчик-испытатель СССР Б. А. Орлов:

«При помпаже возникают пульсации потока воздуха в воздухозаборнике, сопровождающиеся буквально громовыми ударами по самолёту, как будто по нему кто-то лупит кувалдой или будто бы под тобой стреляют из пушки. При этом почти всегда трескаются стенки канала и панели воздухозаборника».

Обычно вслед за помпажем воздухозаборника помпирует двигатель, после чего может возникнуть пожар или произойти взрыв. А при полёте самолёта с ГПВРД на сверхзвуковой скорости этот нерасчётный режим может привести к катастрофе.

Высокая стоимость лётных испытаний и невозможность полноценных наземных тестов сдерживают развитие гиперзвуковой авиации.

В отличие от реактивных и ракетных двигательных систем, которые могут тестироваться на земле, испытания гиперзвуковых самолётов требуют исключительно дорогих экспериментальных установок или стартовых комплексов, которые ведут к большим затратам при разработке. Запускаемые экспериментальные модели обычно разрушаются в ходе или после завершения испытаний, что исключает их повторное использование.