กองทัพอากาศสหรัฐฯ ได้ทำการทดสอบ X-51A Waverider ซึ่งได้รับความเร็วเป็น 5 เท่าของความเร็วของเสียง และสามารถบินได้นานกว่า 3 นาที ซึ่งสร้างสถิติโลกโดยนักพัฒนาชาวรัสเซียก่อนหน้านี้ การทดสอบเป็นไปด้วยดี อาวุธที่มีความเร็วเหนือเสียงพร้อมสำหรับการแข่งขัน
เมื่อวันที่ 27 พฤษภาคม 2010 X-51A Waverider (แปลอย่างหลวม ๆ ว่าเป็นคลื่นบินและใน "โดยไม่สมัครใจ" ในฐานะนักเล่นกระดานโต้คลื่น) ถูกทิ้งจากเครื่องบินทิ้งระเบิด B-52 เหนือมหาสมุทรแปซิฟิก บูสเตอร์สเตจ X-51A ที่ยืมมาจากจรวด ATCAMS ที่มีชื่อเสียง นำเวฟไรเดอร์ขึ้นสู่ระดับความสูง 19.8,000 เมตร โดยเปิดใช้เครื่องยนต์แรมเจ็ตแบบไฮเปอร์โซนิก (GPRVD หรือ scrumjet) หลังจากนั้นจรวดก็ขึ้นไปสูง 21, 3 พันเมตรและหยิบความเร็วมัค 5 (5 M - ห้าความเร็วของเสียง) โดยรวมแล้ว เครื่องยนต์จรวดทำงานประมาณ 200 วินาที หลังจากนั้น X-51A ส่งสัญญาณให้ทำลายตัวเองซึ่งเกี่ยวข้องกับการระบาดของการหยุดชะงักของการวัดและส่งข้อมูลทางไกล ตามแผนจรวดควรจะพัฒนาความเร็ว 6 M (ตามโครงการความเร็วของ X-51 คือ 7 M นั่นคือมากกว่า 8000 km / h) และเครื่องยนต์ต้องทำงาน 300 วินาที
การทดสอบไม่สมบูรณ์แบบ แต่ก็ไม่ได้ขัดขวางไม่ให้พวกเขากลายเป็นความสำเร็จที่โดดเด่น เวลาการทำงานของเครื่องยนต์เกินบันทึกก่อนหน้า (77 วินาที) ถึงสามครั้งโดยห้องปฏิบัติการการบินของโซเวียต (รัสเซียภายหลัง) "Kholod" ครั้งแรกที่ความเร็ว 5M ทำได้โดยใช้เชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนทั่วไป และไม่ใช่ด้วย "พิเศษ" บางอย่างเช่นไฮโดรเจน Waverider ใช้ JP-7 ซึ่งเป็นน้ำมันก๊าดไอต่ำที่ใช้กับเครื่องบินลาดตระเวนความเร็วสูงพิเศษ SR-71 ที่มีชื่อเสียง
Scrumjet คืออะไรและสาระสำคัญของความสำเร็จในปัจจุบันคืออะไร? โดยหลักการแล้ว เครื่องยนต์ ramjet (เครื่องยนต์ ramjet) นั้นง่ายกว่าเครื่องยนต์ turbojet (เครื่องยนต์ turbojet) ที่ทุกคนคุ้นเคย เครื่องยนต์ ramjet เป็นเพียงช่องอากาศเข้า (ส่วนเดียวที่เคลื่อนที่ได้) ห้องเผาไหม้และหัวฉีด ในแง่นี้เปรียบเทียบได้อย่างลงตัวกับเจ็ตเทอร์ไบน์ ซึ่งมีการเพิ่มพัดลม คอมเพรสเซอร์ และเทอร์ไบน์เข้าไปในโครงการพื้นฐานนี้ ซึ่งประดิษฐ์ขึ้นในปี พ.ศ. 2456 ด้วยความพยายามร่วมกันในการขับเคลื่อนอากาศเข้าไปในห้องเผาไหม้ ในเครื่องยนต์ ramjet ฟังก์ชันนี้ดำเนินการโดยการไหลของอากาศที่ไหลเข้ามาเอง ซึ่งช่วยลดความจำเป็นในการออกแบบที่ซับซ้อนซึ่งทำงานในกระแสของก๊าซร้อนและความสุขที่มีราคาแพงอื่นๆ ของชีวิตเทอร์โบเจ็ทในทันที ส่งผลให้เครื่องยนต์ ramjet เบากว่า ถูกกว่า และไวต่ออุณหภูมิที่สูงน้อยกว่า
อย่างไรก็ตาม ความเรียบง่ายมาในราคา เครื่องยนต์แบบไหลตรงไม่ได้ผลที่ความเร็วแบบเปรี้ยงปร้าง (สูงสุด 500-600 กม. / ชม. ไม่ทำงานเลย) - พวกมันไม่มีออกซิเจนเพียงพอและดังนั้นจึงต้องการเครื่องยนต์เพิ่มเติมที่เร่งเครื่องให้มีความเร็วที่มีประสิทธิภาพ เนื่องจากปริมาตรและความดันของอากาศที่เข้าสู่เครื่องยนต์ถูกจำกัดด้วยเส้นผ่านศูนย์กลางของช่องอากาศเข้า จึงเป็นเรื่องยากมากที่จะควบคุมแรงขับของเครื่องยนต์อย่างมีประสิทธิภาพ เครื่องยนต์ Ramjet มักจะ "ลับให้แหลม" สำหรับช่วงความเร็วการทำงานที่แคบ และภายนอกเครื่องยนต์จะเริ่มทำงานไม่เพียงพอ เนื่องจากข้อบกพร่องโดยธรรมชาติเหล่านี้ที่ความเร็วต่ำกว่าเสียงและความเร็วเหนือเสียงปานกลาง เครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ทจึงมีประสิทธิภาพเหนือกว่าคู่แข่งที่ไหลตรง
สถานการณ์จะเปลี่ยนไปเมื่อความว่องไวของเครื่องบินลดลง 3 ชิงช้าที่ความเร็วการบินสูง อากาศจะถูกอัดเข้าไปในเครื่องยนต์มากจนความต้องการคอมเพรสเซอร์และอุปกรณ์อื่นๆ หายไป - ที่แม่นยำยิ่งขึ้น สิ่งเหล่านี้กลายเป็นอุปสรรค แต่ด้วยความเร็วเหล่านี้ เครื่องยนต์ ramjet ที่มีความเร็วเหนือเสียง SPRVD ("ramjet") ให้ความรู้สึกที่ดี อย่างไรก็ตาม เมื่อความเร็วเพิ่มขึ้น ประโยชน์ของ "คอมเพรสเซอร์" ฟรี (กระแสลมเหนือเสียง) จะกลายเป็นฝันร้ายสำหรับนักออกแบบเครื่องยนต์
ใน turbojet และ SPVRD น้ำมันก๊าดจะเผาไหม้ที่อัตราการไหลที่ค่อนข้างต่ำ - 0.2 M วิธีนี้ช่วยให้คุณได้ส่วนผสมที่ดีของอากาศและน้ำมันก๊าดที่ฉีดแล้วจึงมีประสิทธิภาพสูง แต่ยิ่งความเร็วของกระแสที่เข้ามาสูงเท่าไหร่ ก็ยิ่งเบรกได้ยากขึ้นเท่านั้น และการสูญเสียที่เกี่ยวข้องกับแบบฝึกหัดนี้ก็จะยิ่งสูงขึ้น เริ่มตั้งแต่ 6 เมตร ต้องชะลอการไหล 25-30 ครั้ง สิ่งที่เหลืออยู่คือการเผาเชื้อเพลิงในกระแสน้ำเหนือเสียง นี่คือจุดเริ่มต้นของความยากลำบากที่แท้จริง เมื่ออากาศเข้าสู่ห้องเผาไหม้ด้วยความเร็ว 2.5-3,000 กม. / ชม. กระบวนการบำรุงรักษาการเผาไหม้จะคล้ายคลึงกันในคำพูดของนักพัฒนาคนหนึ่งในการ "พยายามทำให้การแข่งขันสว่างขึ้นกลางพายุไต้ฝุ่น " เมื่อไม่นานมานี้เชื่อกันว่าในกรณีของน้ำมันก๊าดเป็นไปไม่ได้
ปัญหาของผู้พัฒนายานยนต์ที่มีความเร็วเหนือเสียงไม่ได้จำกัดอยู่แค่การสร้าง SCRVD ที่ใช้งานได้ พวกเขายังต้องเอาชนะอุปสรรคความร้อนที่เรียกว่า เครื่องบินร้อนขึ้นจากการเสียดสีกับอากาศ และความเข้มของความร้อนจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับกำลังสองของความเร็วการไหล ถ้าความเร็วเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า ความร้อนจะเพิ่มขึ้นสี่เท่า ความร้อนของเครื่องบินขณะบินด้วยความเร็วเหนือเสียง (โดยเฉพาะที่ระดับความสูงต่ำ) บางครั้งก็ยอดเยี่ยมมากจนนำไปสู่การทำลายโครงสร้างและอุปกรณ์
เมื่อบินด้วยความเร็ว 3 M แม้ในสตราโตสเฟียร์อุณหภูมิของขอบทางเข้าของช่องรับอากาศและขอบชั้นนำของปีกจะมากกว่า 300 องศาและส่วนที่เหลือของผิวหนัง - มากกว่า 200 อุปกรณ์ที่มี ความเร็วเพิ่มขึ้น 2-2.5 เท่าจะอุ่นขึ้น 4-6 เท่า ในเวลาเดียวกันแม้ที่อุณหภูมิประมาณ 100 องศาแก้วออร์แกนิกจะอ่อนตัวลงที่ 150 - ความแข็งแรงของ duralumin ลดลงอย่างมากที่ 550 - ไททาเนียมอัลลอยด์สูญเสียคุณสมบัติทางกลที่จำเป็นและที่อุณหภูมิสูงกว่า 650 องศาอลูมิเนียมและแมกนีเซียมละลาย, เหล็กอ่อนตัวลง
ความร้อนระดับสูงสามารถแก้ไขได้โดยการป้องกันความร้อนแบบพาสซีฟ หรือโดยการกำจัดความร้อนแบบแอคทีฟโดยใช้เชื้อเพลิงสำรองบนเครื่องเป็นตัวทำความเย็น ปัญหาคือด้วยความสามารถในการ "ทำความเย็น" ที่ดีของน้ำมันก๊าด - ความจุความร้อนของเชื้อเพลิงนี้เป็นเพียงครึ่งหนึ่งของน้ำ - ไม่ทนต่ออุณหภูมิสูงได้ดีและปริมาณความร้อนที่ต้อง "ย่อย" นั้นง่าย มหึมา
วิธีแก้ปัญหาทั้งสองอย่างตรงไปตรงมาที่สุด (การเผาไหม้และการระบายความร้อนด้วยความเร็วเหนือเสียง) คือการละทิ้งน้ำมันก๊าดและให้ไฮโดรเจนแทน หลังค่อนข้างพร้อม - เมื่อเทียบกับน้ำมันก๊าดแน่นอน - เผาไหม้แม้ในกระแสความเร็วเหนือเสียง ด้วยเหตุผลที่ชัดเจน ไฮโดรเจนเหลวยังเป็นตัวทำความเย็นที่ดีเยี่ยม ซึ่งทำให้ไม่สามารถใช้การป้องกันความร้อนขนาดใหญ่ได้ และในขณะเดียวกันก็ทำให้อุณหภูมิบนเครื่องบินยอมรับได้ นอกจากนี้ ไฮโดรเจนยังมีค่าความร้อนมากกว่าน้ำมันก๊าดถึงสามเท่า ทำให้สามารถเพิ่มขีด จำกัด ของความเร็วที่ทำได้สูงถึง 17 M (สูงสุดสำหรับเชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอน - 8 M) และในขณะเดียวกันก็ทำให้เครื่องยนต์มีขนาดเล็กลง
ไม่น่าแปลกใจที่เครื่องบินที่มีความเร็วเหนือเสียงที่ทำลายสถิติก่อนหน้านี้ส่วนใหญ่บินด้วยไฮโดรเจนอย่างแม่นยำ เชื้อเพลิงไฮโดรเจนถูกใช้โดยห้องปฏิบัติการการบินของเรา "Kholod" ซึ่งจนถึงตอนนี้ครองอันดับที่สองในแง่ของระยะเวลาของเครื่องยนต์ scramjet (77 วินาที) สำหรับเขา NASA มีความเร็วเป็นประวัติการณ์สำหรับยานพาหนะเจ็ท: ในปี 2004 เครื่องบินไร้คนขับที่มีความเร็วเหนือเสียงของ NASA X-43A มีความเร็วถึง 11,265 กม. / ชม. (หรือ 9.8 M) ที่ระดับความสูง 33.5 กม.
อย่างไรก็ตาม การใช้ไฮโดรเจนทำให้เกิดปัญหาอื่นๆ ไฮโดรเจนเหลว 1 ลิตรมีน้ำหนักเพียง 0.07 กิโลกรัมแม้จะคำนึงถึง "ความจุพลังงาน" ที่มากกว่าสามเท่าของไฮโดรเจน ก็หมายความว่าปริมาณของถังเชื้อเพลิงที่เพิ่มขึ้นถึงสี่เท่าด้วยปริมาณพลังงานที่เก็บไว้คงที่ ส่งผลให้ขนาดและน้ำหนักของอุปกรณ์พองตัวโดยรวม นอกจากนี้ ไฮโดรเจนเหลวยังต้องการสภาวะการทำงานที่เฉพาะเจาะจงมาก - "ความน่าสะพรึงกลัวของเทคโนโลยีการแช่แข็ง" บวกกับความจำเพาะของไฮโดรเจนเอง - มันสามารถระเบิดได้อย่างมาก กล่าวอีกนัยหนึ่ง ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงที่ดีเยี่ยมสำหรับยานพาหนะทดลองและเครื่องจักรชิ้นส่วน เช่น เครื่องบินทิ้งระเบิดทางยุทธศาสตร์และเครื่องบินลาดตระเวน แต่เนื่องจากเป็นเชื้อเพลิงสำหรับอาวุธจำนวนมากที่สามารถใช้ฐานทัพแบบธรรมดา เช่น เครื่องบินทิ้งระเบิดหรือเรือพิฆาตธรรมดา จึงไม่เหมาะ
สิ่งที่สำคัญยิ่งกว่าคือความสำเร็จของผู้สร้าง X-51 ซึ่งสามารถทำได้โดยไม่ต้องใช้ไฮโดรเจนและในขณะเดียวกันก็บรรลุความเร็วที่น่าประทับใจและบันทึกตัวบ่งชี้ตลอดระยะเวลาการบินด้วยเครื่องยนต์ ramjet ส่วนหนึ่งของบันทึกนี้เกิดจากการออกแบบตามหลักอากาศพลศาสตร์ที่เป็นนวัตกรรมใหม่ ซึ่งเป็นคลื่นที่บินได้มาก รูปลักษณ์อันแปลกประหลาดของอุปกรณ์ การออกแบบที่ดูดุร้ายสร้างระบบคลื่นกระแทก ซึ่งไม่ใช่ตัวอุปกรณ์ที่กลายเป็นพื้นผิวแอโรไดนามิก เป็นผลให้แรงยกเกิดขึ้นโดยมีปฏิสัมพันธ์น้อยที่สุดของการไหลของเหตุการณ์กับร่างกายและทำให้ความเข้มของความร้อนลดลงอย่างรวดเร็ว
X-51 มีแผงป้องกันความร้อนอุณหภูมิสูงคาร์บอน-คาร์บอนสีดำอยู่ที่ปลายสุดของจมูกและที่ด้านหลังด้านล่างเท่านั้น ส่วนหลักของร่างกายถูกปกคลุมด้วยแผ่นป้องกันความร้อนอุณหภูมิต่ำสีขาว ซึ่งบ่งบอกถึงโหมดการให้ความร้อนที่ค่อนข้างอ่อนโยน และที่ระดับ 6-7 M ในชั้นบรรยากาศที่ค่อนข้างหนาแน่นและการดำดิ่งสู่โทรโพสเฟียร์ไปยังเป้าหมายอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้
แทนที่จะเป็น "สัตว์ประหลาด" ไฮโดรเจน กองทัพอเมริกันได้รับอุปกรณ์ที่ขับเคลื่อนด้วยเชื้อเพลิงการบินที่ใช้งานได้จริง ซึ่งนำอุปกรณ์ดังกล่าวออกจากสนามการทดลองที่น่าขบขันในขอบเขตของการใช้งานจริงในทันที ก่อนที่เราจะไม่ใช่การสาธิตเทคโนโลยีอีกต่อไป แต่เป็นต้นแบบของอาวุธใหม่ หาก X-51A ผ่านการทดสอบทั้งหมดได้สำเร็จ ในอีกไม่กี่ปี การพัฒนา X-51A + รุ่นต่อสู้เต็มรูปแบบซึ่งติดตั้งระบบเติมอิเล็กทรอนิกส์ที่ทันสมัยที่สุดจะเริ่มขึ้น
ตามแผนเบื้องต้นของโบอิ้ง X-51A + จะติดตั้งอุปกรณ์สำหรับการระบุอย่างรวดเร็วและการทำลายเป้าหมายในสภาวะที่มีการต่อต้าน ความสามารถในการควบคุมยานพาหนะโดยใช้อินเทอร์เฟซ JDAM ที่ได้รับการดัดแปลงซึ่งออกแบบมาสำหรับการกำหนดเป้าหมายกระสุนที่มีความแม่นยำสูงได้รับการทดสอบอย่างประสบความสำเร็จในระหว่างการทดสอบเบื้องต้นเมื่อปีที่แล้ว เครื่องบินคลื่นลูกใหม่นี้เข้ากันได้ดีกับขนาดมาตรฐานสำหรับขีปนาวุธของอเมริกา กล่าวคือ ติดตั้งได้อย่างปลอดภัยในอุปกรณ์ยิงจรวดในแนวดิ่งบนเรือ ตู้คอนเทนเนอร์สำหรับปล่อยสำหรับขนย้าย และอ่าวเครื่องบินทิ้งระเบิด โปรดทราบว่าขีปนาวุธ ATCAMS ซึ่งใช้บูสเตอร์สเตจสำหรับเวฟไรเดอร์ เป็นอาวุธยุทธวิธีปฏิบัติการที่ใช้โดยระบบจรวดยิงจรวดหลายลำกล้องของ MLRS ของอเมริกา
ดังนั้น ในวันที่ 12 พฤษภาคม 2010 เหนือมหาสมุทรแปซิฟิก สหรัฐอเมริกาได้ทดสอบต้นแบบของขีปนาวุธล่องเรือที่มีความเร็วเหนือเสียงที่ใช้งานได้จริง โดยพิจารณาจากการเติมที่วางแผนไว้ ซึ่งออกแบบมาเพื่อทำลายเป้าหมายภาคพื้นดินที่มีการป้องกันอย่างสูง (ระยะโดยประมาณคือ 1600 กม.) บางทีเมื่อเวลาผ่านไปอาจมีการเพิ่มพื้นผิวเข้าไป นอกจากความเร็วที่มหาศาลแล้ว ขีปนาวุธดังกล่าวจะมีความสามารถในการเจาะทะลุสูง (อย่างไรก็ตาม พลังงานของร่างกายที่เร่งเป็น 7 M นั้นเทียบเท่ากับประจุ TNT ที่มีมวลเท่ากัน) และ - คุณสมบัติที่สำคัญของคลื่นที่ไม่เสถียรทางสถิต - ความสามารถในการซ้อมรบที่เฉียบคมมาก
นี่ยังห่างไกลจากอาชีพอาวุธที่มีความเร็วเหนือเสียงเพียงอย่างเดียว
ในช่วงปลายทศวรรษ 1990 รายงานจาก NATO Space Research and Development Advisory Group (AGARD) ระบุว่าขีปนาวุธที่มีความเร็วเหนือเสียงควรมีการใช้งานดังต่อไปนี้:
- กำจัดเป้าหมายศัตรูที่เสริมกำลัง (หรือฝัง) และเป้าหมายภาคพื้นดินที่ซับซ้อนโดยทั่วไป
- การป้องกันทางอากาศ
- การพิชิตอำนาจสูงสุดทางอากาศ (ขีปนาวุธดังกล่าวถือได้ว่าเป็นวิธีที่เหมาะในการสกัดกั้นเป้าหมายทางอากาศที่บินสูงในระยะทางไกล)
- การป้องกันขีปนาวุธ - การสกัดกั้นการยิงขีปนาวุธในระยะเริ่มต้นของวิถี
- ใช้เป็นโดรนที่นำกลับมาใช้ใหม่ได้ ทั้งสำหรับการจู่โจมเป้าหมายภาคพื้นดินและการลาดตระเวน
ท้ายที่สุด เป็นที่แน่ชัดว่าขีปนาวุธที่มีความเร็วเหนือเสียงจะมีประสิทธิภาพมากที่สุด - ถ้าไม่ใช่เพียงอย่างเดียว - ยาแก้พิษจากอาวุธโจมตีที่มีความเร็วเหนือเสียง
อีกทิศทางหนึ่งในการพัฒนาอาวุธที่มีความเร็วเหนือเสียงคือการสร้างเครื่องยนต์สแครมเจ็ตเชื้อเพลิงแข็งขนาดเล็กที่ติดตั้งในขีปนาวุธที่ออกแบบมาเพื่อทำลายเป้าหมายทางอากาศ (ขนาด 35-40 มม.) รวมถึงยานเกราะและป้อมปราการ (ATGMs จลนศาสตร์) ในปี 2550 Lockheed Martin ได้ทำการทดสอบต้นแบบขีปนาวุธต่อต้านรถถัง CKEM (Compact Kinetic Energy Missile) ขีปนาวุธดังกล่าวที่ระยะ 3400 ม. ทำลายรถถังโซเวียต T-72 ได้สำเร็จพร้อมกับเกราะปฏิกิริยาที่ปรับปรุงแล้ว
ในอนาคตอาจมีการออกแบบที่แปลกใหม่มากขึ้น ตัวอย่างเช่น เครื่องบินข้ามชั้นบรรยากาศที่สามารถบินย่อยที่ช่วงข้ามทวีปได้ การหลบหลีกหัวรบที่มีความเร็วเหนือเสียงสำหรับขีปนาวุธนำวิถีก็มีความเกี่ยวข้องเช่นกัน - และในอนาคตอันใกล้นี้ กล่าวอีกนัยหนึ่ง ในอีก 20 ปีข้างหน้า กิจการทางทหารจะเปลี่ยนไปอย่างมากและเทคโนโลยีที่มีความเร็วเหนือเสียงจะกลายเป็นปัจจัยที่สำคัญที่สุดประการหนึ่งในการปฏิวัติครั้งนี้