Таинственные Махи «Авангарда»

Испытания межконтинентальной баллистической ракеты с маневрирующими на гиперзвуковой скорости блоками «Авангард» 26 декабря вызвали активное обсуждение в социальных сетях — объявленной скорости в 27 Махов поверили не все. Скептики приводили температуру плавления вольфрама, сравнивали ее с расчетными данными нагрева обшивки и говорили «Невозможно! Он расплавится!» Сейчас, когда не отвлекают приближающиеся праздники, можно вспомнить физику и спокойно поговорить о скоростях, Махах, нагреве и маневрировании.

Такие странные Махи

Прежде всего давайте разберемся, что такое эти Махи, почему скорость обозначили именно в них, и можно ли как-то перевести названное число в привычные нам единицы измерения. 1 Мах — это скорость звука, но взять привычное нам значение 330 м/с из школьного учебника и перемножить на 27 нельзя. Дело в том, что скорость звука зависит от температуры среды и меняется с высотой. А высоту, для которой измерена эта скорость, нам не сообщили. Американская модель стандартной атмосферы дает скорость звука 278 м/с в диапазоне 80-90 км, именно там где начинается сколько-нибудь заметная плотность воздуха.


Стандартная атмосфера США 1962 года, изображение Cmglee/Wikimedia Commons

Отдельная ирония заключается в том, что в других моделях атмосферы будут другие значения, и, например, на сайте NASA есть калькулятор, дающий скорость 269 м/с для высоты 76 км, что заметно меньше.

Вывод: 27 Махов из новости — это, скорее всего, скорость в районе 7, а не 9 км/с.

Вы можете спросить: а зачем указывают скорость в таких неудобных единицах? Почему бы не сказать сразу в метрах в секунду? Дело в том, что именно число Маха, а не абсолютная скорость, говорит о том, как среда взаимодействует с движущимся в ней предметом. На дозвуковых, околозвуковых, сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростях воздух принципиально по-разному обтекает самолеты, космические корабли или боеголовки.


Иллюстрация NPTEL

Все нормально, падаем

Следующий вопрос — а с какой скоростью летают боеголовки межконтинентальных баллистических ракет? Посмотреть на полет МБР удобнее всего будет в космическом симуляторе Orbiter (более подробно с инструкциями можно почитать тут). Точная скорость зависит от дальности стрельбы и траектории, но в общем случае находится в районе 6,5-7 км/с. Например, если бы Карибский кризис 1962 года перешел в горячую фазу, боевая «Р-7А» разогналась бы примерно до 6,7 км/с для удара по Вашингтону.


Траектория полета боеголовки и значение орбитальной скорости сразу после отделения от ракеты

В модели атмосферы, использующейся в Orbiter, боеголовка как раз успевает на короткий момент достигнуть скорости в 26 махов, двигаясь со скоростью 7 км/с на высоте 84 км.



Вывод: скорость 27 Махов вполне достижима обычной боеголовкой баллистической ракеты. Но нужно понимать, что это максимальная скорость, которую «Авангард» может достигать на короткое время.

Космические корабли с низкой орбиты тормозят с чуть большей скорости, чуть меньше 8 км/с, и достигают сравнимых скоростей Маха. А вот возвращающиеся с Луны «Аполлоны» входили в атмосферу со скоростью 11 км/с и достигали почти 40 Махов.

Горю и не сгораю

Несмотря на то, что при торможении в плотных слоях атмосферы боеголовка испытывает большие тепловые нагрузки, справляться с этим инженеры научились достаточно давно. Но приводить температуру плавления вольфрама нет смысла, потому что для защиты космического корабля или боеголовки используются другие принципы.

Первый вариант — испаряющаяся (абляционная) теплозащита. Достаточно толстый слой материала, нагреваясь, постепенно разрушается, и лишняя тепловая энергия уходит вместе с улетающими частичками.


Слева до полета, справа — после

Второй вариант — использовать специальные материалы: углепластики (упрочненный углерод-углеродный композит, reinforced carbon-carbon), кварцевое стекло, сверхвысокотемпературные композиты с керамической матрицей и другие. Разные участки нагреваются по-разному, поэтому на шаттлах или «Буране» стояла теплозащита из нескольких материалов, отличающихся максимальной допустимой температурой.


Теплозащита «Бурана», источник с дополнительной информацией

Вывод: Существуют теплозащитные материалы, позволяющие входить в атмосферу со скоростью 27 Махов, и это не вольфрам.

Материалы теплозащиты «Авангарда» секретны, но, скорее всего, там используется второй способ, он лучше подходит для маневрирующего аппарата.

Цель вижу, в себя верю

Гражданские космические аппараты не только могут пережить торможение в атмосфере, но и управляют своим полетом. Летающие сейчас «Союзы» совершают управляемый спуск — центр тяжести капсулы размещен так, что она летит «носом вверх» и создает подъемную силу.


Цифры близки к реальным, это скриншот симулятора Orbiter. Зеленая — подъемная сила, красная — сила сопротивления

Спейс шаттлы, «Буран» или летающий сейчас в космосе X-37 могли выполнять управляемый полет в диапазоне от гиперзвука до дозвуковой скорости. Что шаттлы, что «Буран» при торможении в плотных слоях атмосферы шли «змейкой» как раз на гиперзвуковой скорости. Но все эти аппараты отличались невысоким аэродинамическим качеством и могли маневрировать в ограниченном диапазоне. Посмотрите еще раз на иллюстрацию выше, зеленая стрелка гораздо короче красной, у «Союза» аэродинамическое качество на гиперзвуке в районе 0,3. У шаттла или «Бурана» повыше, но все равно невысокое, в районе 1 (т.е. зеленая стрелка такой же длины как и красная). Для преодоления противоракетной обороны «Авангарду» нужно будет заметно большее аэродинамическое качество. Почему? Дело в том, как противоракета прицеливается по цели. Для того, чтобы перехватить боеголовку, противоракете надо целиться в упрежденную точку, место, где пути ее и цели пересекутся.



А поскольку основной разгон противоракеты происходит в первые секунды полета, она не может перехватить боеголовку, активно маневрирующую с большим аэродинамическим качеством. Боеголовка меняет курс, точка встречи сильно смещается, а у противоракеты уже нет топлива для изменения своей траектории в новую точку перехвата.



Именно в этом и состоит главная инженерная сложность проекта «Авангард» — создать конструкцию, способную не только выдержать вход в атмосферу, но и очень активно в ней маневрировать.

Вывод: Человечество умеет создавать аппараты, которые могут совершать управляемый полет на гиперзвуке вообще, а «Авангард» должен был решить более сложную задачу полета с высоким аэродинамическим качеством.

На советских наработках

За реальность «Авангарда» говорит и то, что он вырос не на пустом месте. Еще в 80-х годах прошлого века для МБР Р-36М2 «Воевода» разрабатывался гиперзвуковой маневрирующий блок 15Ф178, а в 90-х годах даже предлагался исключительно мирный аппарат «Призыв» для оказания помощи терпящим бедствие кораблям.



В других странах работы по гиперзвуковым маневрирующим блокам тоже ведутся, но, по открытой информации, они пока менее успешны. В США в рамках программы «Продвинутое гиперзвуковое оружие» (Advanced Hypersonic Weapon, AHW) испытывался Falcon HTV-2 (два неудачных пуска) и, собственно AHW (успех в 2011, неудача в 2014). В Китае разрабатывается система DF-ZF, она же WU-14 (семь испытаний в 2014-17 годах), но об успешном завершении разработки еще не объявляли.

Общий вывод: «Авангард» с указанными характеристиками не противоречит законам физики и вполне реален. Названная скорость в 27 Махов вполне достижима и технически, и физически, но это максимальная скорость, и боевой блок не летит на ней все время полета.

* * *