Суборбитальная авиация: новый формат полетов
Гиперзвуковые полеты могут соединяться с суборбитальным космосом в единое целое, создавая новую область авиации.
Появление реактивной авиации расширило область полетов, подняв их в стратосферу. Гиперзвуковые самолеты смогут выйти не только за стратосферу, но и за саму атмосферу. Авиация за атмосферой звучит явным противоречием. Тем не менее такой формат авиаперелетов не только возможен, но и рационален. Он может появиться уже через 15–20 лет.
На стыке аэродинамики с баллистикой
Самолет — конструкция аэродинамическая и выполняет аэродинамические полеты. Что это означает? Аэродинамикой зовется царство сил, возникающих при обтекании тела воздушной средой. Чем быстрее движение и обтекание (например, крыла самолета), тем больше аэродинамические силы. Вырастая со скоростью, они соперничают с силой гравитации Земли и держат самолет в воздухе, не давая ему упасть. Аэродинамическая подъемная сила формирует полет самолета и его геометрию. На этом построена авиация, занимающая огромную часть необъятного царства воздушного движения.
Баллистическим зовут свободное движение тела под действием силы гравитационного поля, она же сила тяготения. Так летит предмет, брошенный баллистой — античной метательной установкой. Он испытывает и тормозящую силу воздушной среды — аэродинамическое сопротивление. Поэтому в классической, «базовой» баллистике действуют две силы: гравитационная и аэродинамического сопротивления, или сила поля и сила среды.
А в «неклассической»? В общем случае баллистика работает с любым комплексом сил, где преобладает и главенствует гравитационная сила. Например, орбитальная баллистика учитывает добавки движения от сил давления света Солнца или магнитного поля Земли. И пока добавки будут невелики в сравнении с действием гравитационной силы, движение останется баллистическим. Воздушная среда может создавать не только силу сопротивления, но и аэродинамическую подъемную силу, в разы большую силы тяготения. Тогда полет из баллистического становится аэродинамическим. Так летят самолеты и другие летательные аппараты, чью траекторию движения создает подъемная сила. Любой горизонтальный полет самолета, от полета по прямой до виража, или разворот с набором высоты и мертвая петля создаются именно подъемной силой.
Но самолет может лететь и баллистически, под действием главным образом силы тяготения. Это крутые и вертикальные пикирования. Или горки в форме параболы. Подъемная сила на них обнуляется летчиками (они выдерживают угол атаки с нулевой подъемной силой), а сопротивление воздуха компенсируется тягой двигателей.
На такой параболе на борту наступает невесомость, «включаясь» с началом подъема по параболе и продолжаясь на всем протяжении. Так тренируют будущих космонавтов на специальном самолете Ил-76МДК. Его параболические полеты длятся по 25–30 секунд. Невесомость, охватывающая участников на борту, говорит об их движении по чисто баллистической траектории свободного падения.
Если на такой горке самолет поддержит небольшая подъемная сила, его траектория станет полубаллистической, полуаэродинамической. Такие траектории называют аэробаллистическими. По ним летят боевые аэробаллистические ракеты, увеличивая аэродинамикой высоту и дальность полета по баллистической траектории. И превращая ее в растянутую дугообразную фигуру.
Вершина динамического потолка
Аэробаллистические горки давно знакомы в авиации. Истребители разгоняются на большой высоте и переходят в крутой подъем, таким образом выходя на свой динамический потолок. Это самая высокая точка, до которой может подняться самолет. Там он не держится и проваливается вниз: сила тяготения преобладает над подъемной силой, слабой от высотного разрежения воздуха.
Динамический потолок можно использовать для перехвата целей (например, высотных крылатых ракет), идущих в средней стратосфере выше боевого потолка истребителя. Боевой потолок — предельная высота, на которой самолет может лететь горизонтально с креном, нужным для доворота на цель и сближения с ней до условий пуска ракет. А если цель идет значительно выше? Поднявшись на динамический потолок, истребитель может запустить оттуда ракету по цели, только что прошедшей еще выше над ним. Тогда цель окажется в поле зрения головки самонаведения (она захватит цель) и в дальности поражения ракетой. Сложатся условия для пуска ракеты и поражения цели.
Первые похожие полеты получались из-за невыхода на сверхзвук самолетов Су-9. Ситуации возникали на первом этапе освоения первых высотных сверхзвуковых истребителей Су-9 при перехвате высотных целей.
У летчиков не было опыта полетов в стратосферу, знания профиля высотного полета и правильного выхода на сверхзвуковой режим. Не сделав необходимого для выхода на сверхзвук горизонтального разгона на высоте 10 км, летчики с самого взлета продолжали непрерывный набор высоты на форсаже. Форсажной тяги не хватало для разгона на сверхзвук одновременно с крутым подъемом. Сверхзвуковой режим не достигался, под небольшим треугольным крылом Су-9 не возникала зона сверхзвукового сжатия потока, своим давлением держащая самолет в воздухе в стратосфере. И истребители, сделав в стратосфере горку на дозвуковом режиме, проваливались вниз, не достигая своего боевого потолка.
Но полет на динамический потолок никогда не использовался как основной способ передвижения. Потому что величина аэробаллистической кривой самолета составляет километры по вертикали и десяток-другой километров по горизонтали. Для большой дальности «прыжка» нужна и более высокая скорость; быстрота сверхзвуковых самолетов может оказаться недостаточной.
Горка в тысячу километров
Кривая такого масштаба уже не будет аэробаллистической в обычном смысле, формируемой одновременно двумя началами — баллистикой и аэродинамикой. Изгиб траектории вверх на входе в горку сделает аэродинамическая подъемная сила. Она же добавит вертикальной скорости с началом набора высоты.
Но лишь до тех пор, пока атмосфера сможет создавать эту силу. За границей стратосферы (55 км высоты) и плотность воздуха, и аэродинамические силы станут исчезающе малы. Дальше начнется чисто баллистический участок горки. И он будет основным для всей фигуры, во много раз большим, чем начальный и конечный аэробаллистические участки. И чем больше фигура, тем она будет более баллистической. А значит, и форма этой главной части будет чертиться только гравитационным полем.