Объяснение гиперзвуковых аэродинамических труб

Слова Эрика Теглера

Когда 2021 год подошел к концу, сообщения о том, что Китай скоро представит усовершенствованную гиперзвуковую аэродинамическую трубу, способную имитировать объекты, летящие со скоростью 30 Маха, вызвали как тревогу на Западе, так и утверждения экспертов о том, что на горизонте такой туннели на самом деле нет.

Даже если, по слухам, китайский туннель JF-22 мощностью 15 ГВт реален, он просто не сможет охватить весь спектр разработок, необходимых в гонке по развертыванию гиперзвукового оружия и гиперзвуковых самолетов. Как говорит профессор аэронавтики и астронавтики Университета Пердью Джозеф Джуэлл: «Ни один объект на Земле не может воспроизвести все аспекты гиперзвукового полета в атмосфере».

Университет Пердью имеет давний исследовательский отдел гиперзвука и новый Центр гиперзвуковых и прикладных исследований (HARF), строящийся в его кампусе в Вест-Лафайете, штат Индиана. Они символизируют усилия, особенно в США, по сдерживанию существующего и появляющегося китайского и российского гиперзвукового оружия путем противодействия разработке и размещению сотен гиперзвуковых вооружений различных типов к середине 2020-х годов.

Еще в апреле Марк Льюис, директор по исследованиям и разработкам в области модернизации Министерства обороны США, подтвердил, что гиперзвук является одним из главных приоритетов Пентагона. В планы разработки входят ракеты с ракетным двигателем со скоростью 10 Маха и крылатые ракеты с воздушно-реактивным двигателем со скоростью 5 Маха.

Учитывая актуальность гиперзвуковых исследований, существует потребность в средствах для испытаний и разработок, особенно в современных гиперзвуковых аэродинамических трубах. Они являются ключом к пониманию того, как настроить снаряды так, чтобы они выдерживали беспрецедентные температуры и воздушные потоки, окружающие гиперзвуковые аппараты во время полета. По общему мнению, порог того, что считается гиперзвуковой скоростью, составляет около 5 Маха, а большие гиперзвуковые аэродинамические трубы редки. Большинство существующих объектов в США были спроектированы и построены в период с 1950-х по 1970-е годы, когда Америка инвестировала значительные средства в разработку ракет и космическую программу. Туннели могут создавать гиперзвуковые потоки, которые являются холодными, сильными возмущениями, небольшими и относительно короткими.

Хотя эти туннели хороши для фундаментальных исследований и разрозненного подхода к решению проблем гиперзвукового полета, они не могут одновременно производить горячие потоки с низким уровнем возмущений и длинные потоки в больших масштабах. Эксперты говорят, что ничего не может быть, кроме реальных летных испытаний.

Но существует небольшая и постоянно растущая группа предприятий в США, которые могут производить продукцию вышеуказанного качества по отдельности или по отдельности. Эти современные гиперзвуковые аэродинамические трубы и их более традиционные предшественники являются важнейшими частями национальной инфраструктуры в США и Европе.

Летом студенты работают в бесшумной аэродинамической трубе Purdue со скоростью 6 Маха. Более совершенная тихая аэродинамическая труба со скоростью 8 Маха станет частью нового исследовательского центра гиперзвука, который будет построен в Пердью. (Университет Пердью/Джон Андервуд)

Существует пять распространенных типов гиперзвуковых аэродинамических труб. Тихие туннели, пожалуй, самый популярный тип. Тихие туннели названы так потому, что они способны пропускать воздух с гиперзвуковыми скоростями без турбулентности, создаваемой пограничным слоем, который развивается на таких скоростях. Исследовательский центр НАСА в Лэнгли разработал первые тихие аэродинамические трубы для сверхзвуковых и гиперзвуковых исследований в 1980-х годах. Они решают одну из основных задач исследования гиперзвуковых потоков – точное предсказание перехода.

Переход — это когда плавный или ламинарный поток воздуха по поверхности становится нарушенным или турбулентным по мере увеличения скорости воздушного потока. Такой переход приводит к значительному увеличению вязкого сопротивления и теплового потока, что приводит к серьезным ограничениям производительности и тепловой защиты гиперзвуковых аппаратов. Компания Purdue построила один из первых тихих туннелей, не принадлежащих НАСА, тихий туннель Boeing / AFOSR Mach-6 в конец 1990-х годов. Туннель основан на конструкции трубы Людвига — длинной цилиндрической трубы, расположенной после большого воздушного резервуара и сужающегося-расширяющегося сопла, управляемой диафрагмой или клапаном, — впервые разработанной в 1950-х годах.