Небаллистический вход в атмосферу

Фазы пропуска повторного входа

Небаллистический вход в атмосферу — это класс траекторий входа в атмосферу , которые следуют небаллистической траектории за счет использования аэродинамической подъемной силы в верхних слоях атмосферы. Он включает в себя такие траектории, как прыжок и скольжение.

Пропуск — это траектория полета, при которой космический корабль входит в атмосферу и выходит из нее. Планирование — это траектория полета, при которой космический корабль остается в атмосфере в течение длительного периода времени. В большинстве примеров пропуск входа в атмосферу примерно удваивает дальность полета суборбитальных космических самолетов и спускаемых аппаратов по чисто баллистической траектории. В других случаях серия пропусков позволяет еще больше расширить диапазон.

Небаллистический вход в атмосферу впервые серьезно изучался как способ увеличения дальности полета баллистических ракет , но не использовался в боевой форме в этой форме, поскольку были представлены обычные ракеты с увеличенной дальностью полета. Базовые аэродинамические концепции были использованы при создании маневренных боеголовок (MARV) для повышения точности некоторых ракет, таких как Pershing II . Совсем недавно эти концепции были использованы для создания гиперзвуковых планирующих аппаратов (HGV), чтобы избежать перехвата, как в случае с « Авангардом» . Увеличение дальности используется как способ разрешить полеты на меньших высотах, помогая избежать обнаружения радаром в течение более длительного времени по сравнению с более высокой баллистической траекторией.

Эта концепция также использовалась для продления времени входа в атмосферу транспортных средств, возвращающихся на Землю с Луны, которым в противном случае пришлось бы терять большую скорость за короткое время и, следовательно, страдать от очень высоких скоростей нагрева. Командный модуль «Аполлона» также использовал то, что по сути является пропуском входа в атмосферу, как и советский «Зонд» и китайский «Чанъэ 5-Т1» .

История

Ранние концепции

Концептуальную основу впервые заметили немецкие офицеры-артиллеристы, которые обнаружили, что их стрелковые снаряды Peenemünder Pfeilgeschosse летят гораздо дальше при стрельбе с больших высот. Это не было полностью неожиданным из-за геометрии и разреженности воздуха, но когда эти факторы были учтены, они все равно не могли объяснить наблюдаемые гораздо большие расстояния. Исследования в Пенемюнде привели их к открытию, что более длинные траектории в более разреженном высотном воздухе приводят к тому, что снаряд имеет угол атаки , который создает аэродинамическую подъемную силу на сверхзвуковых скоростях. В то время это считалось крайне нежелательным, поскольку очень затрудняло расчет траектории, но наблюдатели не упустили из виду возможность ее применения для увеличения дальности полета.

В июне 1939 года Курт Патт из Клауса Риделя в Пенемюнде предложил крылья для преобразования скорости и высоты ракеты в аэродинамическую подъемную силу и дальность полета. конструкторского бюро Он подсчитал, что это примерно удвоит дальность полета ракет А-4 с 275 километров (171 миль) до примерно 550 километров (340 миль). Ранняя разработка рассматривалась под названием А-9, хотя никаких работ, кроме исследований в аэродинамической трубе в течение следующих нескольких лет в компании Zeppelin-Staaken не проводилось . Исследования на низком уровне продолжались до 1942 года, когда они были отменены.

Самое раннее известное предложение концепции ускоренного планирования для действительно дальнего использования относится к Silbervogel 1941 года , предложению Ойгена Зенгера о ракетном бомбардировщике, способном атаковать Нью-Йорк с баз в Германии , а затем долететь и приземлиться где-нибудь в небе. Тихий океан принадлежит Японской империи . Идея заключалась в том, чтобы использовать крылья транспортного средства для создания подъемной силы и вывода на новую баллистическую траекторию, снова выходя из атмосферы и давая транспортному средству время остыть между пропусками. Позже было продемонстрировано, что тепловая нагрузка во время пропусков была намного выше, чем первоначально рассчитывалось, и могла бы расплавить космический корабль.

В 1943 году с работы А-9 снова смахнули пыль, на этот раз под названием А-4б . Было высказано предположение, что это произошло либо потому, что теперь он был основан на немодифицированном А-4, либо или потому, что к тому времени программа А-4 имела «национальный приоритет», и размещение разработки под названием А-4 гарантировало финансирование. A-4b использовал стреловидное крыло , чтобы расширить дальность действия V2 настолько, чтобы можно было атаковать города Великобритании в Мидлендсе или достичь Лондона из районов, расположенных глубже в Германии. Первоначально А-9 был похож, но позже имел длинные стреловидные крылья дельтовидной формы вместо более традиционных стреловидных. Эта конструкция была адаптирована в качестве верхней ступени с экипажем для межконтинентальной ракеты А-9/А-10, которая должна была планировать из точки над Атлантикой с дальностью, достаточной для того, чтобы бомбить Нью-Йорк до того, как пилот вылетит с парашютом .

Послевоенное развитие

На сегодняшний день X-20 Dyna Soar — это проект, наиболее близкий к созданию пилотируемого планирующего корабля. На этой иллюстрации показан Dyna Soar во время входа в атмосферу.

Сразу после войны советский инженер-ракетчик Алексей Исаев нашел копию обновленного отчета о концепции Зильберфогеля от августа 1944 года . Он перевел статью на русский язык, и в конечном итоге она привлекла внимание Иосифа Сталина , который очень интересовался концепцией антиподного бомбардировщика . В 1946 году он отправил своего сына Василия Сталина и ученого Григория Токатия , который до войны также работал над крылатыми ракетами, навестить Сенгера и Ирен Бредт в Париже и попытаться убедить их присоединиться к новым усилиям в Советском Союзе . Сенгер и Бредт отклонили приглашение.

В ноябре 1946 года Советы сформировали конструкторское бюро НИИ-1 под руководством Мстислава Келдыша для разработки собственной версии без Зенгера и Бредта. Их ранние работы убедили их перейти от концепции гиперзвукового планирующего ракетного двигателя к с прямоточным воздушно- сверхзвуковой крылатой ракете реактивным двигателем , мало чем отличающейся от ракеты Навахо, разрабатывавшейся в Соединенных Штатах в тот же период. продолжалась какое-то время Разработка бомбардировщика «Келдыш» , но усовершенствования обычных баллистических ракет в конечном итоге сделали этот проект ненужным.

В Соединенных Штатах концепцию скип-планирования пропагандировали многие переехавшие туда немецкие ученые, в первую очередь Вальтер Дорнбергер и Крафт Эрике из Bell Aircraft . В 1952 году Белл предложил концепцию бомбардировщика, который по сути представлял собой версию Зильберфогеля с вертикальным стартом , известного как Боми. Это привело к появлению ряда последующих концепций в 1950-х годах, включая Robo, Hywards , Brass Bell и, в конечном итоге, Boeing X-20 Dyna-Soar . Более ранние модели, как правило, представляли собой бомбардировщики, а более поздние модели предназначались для разведки или других целей. Дорнбергер и Эрике также совместно работали над статьей Popular Science 1955 года , в которой предлагалась идея использования авиалайнеров.

Внедрение успешных межконтинентальных баллистических ракет (МБР) в наступательных целях положило конец любому интересу к концепциям планирующих бомбардировщиков, как и разведывательный спутник для выполнения функций самолета-шпиона. К космическому истребителю X-20 сохранялся интерес на протяжении 1960-х годов, но в конечном итоге он стал жертвой сокращения бюджета; после еще одного обзора в марте 1963 года Роберт Макнамара отменил программу в декабре, отметив, что после того, как было потрачено 400 миллионов долларов, у них все еще не было задачи, которую можно было бы выполнить.

Использование ракет

В 1960-е годы концепция скип-планирования представляла интерес не как способ увеличения дальности полета, который больше не беспокоил современные ракеты, а как основа для маневренных боеголовок для межконтинентальных баллистических ракет. Основная цель заключалась в том, чтобы заставить аппарат изменить свой маршрут при входе в атмосферу, чтобы противоракеты (ПРО) не могли отслеживать его движения достаточно быстро для успешного перехвата. Первым известным примером были испытания Alpha Draco в 1959 году, за которыми последовала серия испытаний Boost Glide Reentry Vehicle (BGRV), ASSET. и ПРЕМЬЕР .

Это исследование в конечном итоге было использовано в возвращаемой ракете MARV Pershing II . В этом случае нет расширенной фазы планирования; боеголовка использует подъемную силу только в течение коротких периодов времени для корректировки своей траектории. Это используется на поздних этапах процесса входа в атмосферу, объединяя данные Singer Kearfott инерциальной навигационной системы с Goodyear Aerospace активным радаром . Аналогичные концепции были разработаны для баллистических ракет большинства стран, обладающих ядерным оружием .

Советский Союз также вложил некоторые усилия в разработку MARV, чтобы избежать американских ПРО, но закрытие оборонительных сил США в 1970-х годах означало, что не было причин продолжать эту программу. Ситуация изменилась в 2000-х годах с введением в США системы наземной обороны на средней дистанции , что побудило Россию реанимировать эту работу. В октябре 2016 года сообщалось , что машина, известная в советское время как «Объект 4202» , прошла успешные испытания. Система была публично представлена ​​1 марта 2018 года как гиперзвуковой планирующий аппарат (HGV) «Авангард» ( русский : «Авангард» ; английский: «Авангард» ), который официально поступил на вооружение в качестве полезной нагрузки межконтинентальной баллистической ракеты 27 декабря 2019 года. Владимир Путин объявил, что «Авангард» запущен в серийное производство, заявив, что его маневренность делает его неуязвимым для всех существующих средств противоракетной обороны.

Китай также разработал планирующую боеголовку DF-ZF (известную американской разведке как WU-14). В отличие от американских и российских конструкций MARV, основной целью DF-ZF является использование ускоренного планирования для увеличения дальности полета при полете на меньших высотах, чем это было бы использовано для достижения той же цели по чисто баллистической траектории. Это сделано для того, чтобы как можно дольше держать его вне поля зрения США ВМС радаров боевой системы Aegis и тем самым сократить время, которое система должна реагировать на атаку. DF-ZF был официально представлен 1 октября 2019 года. Аналогичные усилия России привели к проектам гиперзвуковых испытаний «Холод» и GLL-8 «Игла» , а совсем недавно — к гиперзвуковому планирующему аппарату Ю-71, который может нести РС-28 «Сармат» .

Ускоренное планирование стало темой, вызывающей определенный интерес как возможное решение требования США к быстрому глобальному удару (PGS), которое предусматривает создание оружия, способного поразить цель в любой точке Земли в течение одного часа после запуска из Соединенных Штатов . PGS не определяет режим работы, и текущие исследования включают в себя гиперзвукового оружия усовершенствованного планирующую боеголовку , Falcon HTV-2 гиперзвуковой самолет и ракеты, запускаемые с подводных лодок. Lockheed Martin развивает эту концепцию как гиперзвуковой AGM-183A ARRW .

Использование возвращаемого аппарата

Эта методика использовалась советской «Зонд» серией окололунных космических кораблей , которые перед приземлением использовали один прыжок. В этом случае требовался настоящий пропуск, чтобы позволить космическому кораблю достичь зон приземления в более высоких широтах. Зонд 6 , Зонд 7 и Зонд 8 сделали успешные пропуски, а Зонд 5 — нет. Chang'e 5-T1 , который выполнял миссии, аналогичные Zond, также использовал эту технику.

Командный модуль Аполлона использовал концепцию пропуска, чтобы снизить тепловые нагрузки на корабль за счет увеличения времени входа в атмосферу, но космический корабль не покинул атмосферу снова, и были серьезные споры, делает ли это настоящий профиль пропуска. НАСА назвало это просто «подъемным входом». Настоящий профиль с несколькими пропусками рассматривался как часть концепции Apollo Skip Guidance, но он не использовался ни в одном полете с экипажем. Эта концепция продолжает появляться на более современных транспортных средствах, таких как космический корабль «Орион» , который впервые совершил американский пропуск в миссии «Артемида-1» , используя бортовые компьютеры.

Механика полета

Используя упрощенные уравнения движения и предполагая, что во время полета в атмосфере силы сопротивления и подъемной силы будут намного больше, чем сила тяжести, действующая на аппарат, можно вывести следующие аналитические соотношения для полета с пропуском входа в атмосферу:

$$\gamma _{\mathrm {F} }=-\gamma _{\mathrm {E} },$$

где $\gamma$ - угол траектории полета относительно местной горизонтали, индекс E указывает условия в начале входа, а индекс F указывает условия в конце входа в полет.

Скорость $V$ до и после записи можно вывести следующим образом:

$${\frac {V_{\mathrm {F} }}{V_{\mathrm {E} }}}=\exp {\frac {2\gamma _{\mathrm {E} }}{L/D}},$$

где $L/D$ - это аэродинамическое качество автомобиля.

См. также

• Высокоскоростное ударное оружие (HSSW) (США)
• Prompt Global Strike (PGS) (США)
• Альфа Драко (США)
• ArcLight (ракета) (США)
• Проект DARPA Falcon (США)
• Boeing X-51 Waverider (США)
• Североамериканский Х-15 (США)
• Tupolev Tu-130 (Russia)
• БраМос-II (Индия/Россия)
• Автомобиль-демонстратор гиперзвуковых технологий (Индия)
• Многоцелевая боеголовка с независимым наведением
• Плоские уравнения входа в атмосферу

Ссылки

Библиография

• Нойфельд, Майкл (1995). Ракета и Рейх: Пенемюнде и наступление эры баллистических ракет . Саймон и Шустер. ISBN  9780029228951 .
• Йенгст, Уильям (апрель 2010 г.). Молнии: первые маневрирующие возвращаемые аппараты . Издательство Тейт. ISBN  9781615665471 .