?

Log in

No account? Create an account

Научно-популярно о космосе и астрономии

Предыдущий пост Поделиться Следующий пост
Таинственные Махи "Авангарда"
lozga
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.


Пуск "Авангарда", фото Министерства Обороны РФ

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.

27.png
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.


Источник

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.


В качестве эксперимента запущены пуш-уведомления. Нажмите эту кнопку, и вам будет приходить сообщение, когда выйдет мой новый пост.


Я в социальных сетях:
Вконтакте, Facebook, Twitter, Instagram, YouTube

attentioneer.jpg

Записи из этого журнала по тегу «военный космос»


promo lozga november 4, 2014 17:00
Buy for 50 tokens
Привет! Добро пожаловать в блог, посвященный популяризации космонавтики, астрономии, и, шире, науки и прогресса человечества. Если вы зашли ко мне впервые, рекомендую почитать длинные серии постов по тегам: Серия "Незаметные сложности космической техники". Рассказы о том, как и почему ракеты и…

Вопрос - маневрирует он у цели по заложенной фиксированной программе или произвольно? И как он "увидит" пуски противоракет?

Скорее всего фиксированная программа с генератором случайных чисел, для добавления случайности в маневрах. Маневрирование там же только одна из частей, системы преодоления ПРО. Дополнительно там на ракете как правило еще не один боевой блок, плюс летит не один а в рое пустышек.

"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."

Отметим, что есть и третье решение - использовать большую массу материала с хорошей ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬЮ. Ранние американские боеголовки БР использовали теплозащиту из меди, которая распределяла тепло в массе металла. Т.к. время прохождения атмосферы было невелико, теплозащита не успевала расплавиться.

Совершенно верно, но я не стал глубоко закапываться, вряд ли этот вариант тут применим

Негодная попытка чèрное представить белым. "Союзы", блин, совершают "управляемую посадку"!

Именно так. Потому что в случае аварии они уходят в "баллистический спуск", в котором тормозят с большей перегрузкой и садятся с недолетом относительно заданного района.

Впрочем, если вам не нравится слово "посадка" можно заменить на "спуск"

Сомнения вызывает то, что американские и китайские проекты однозначно неудачные, а у нас прямо-таки все проблемы решены и боеголовка уже на боевом дежурстве.


О, спасибо за взвешенный анализ, а то истерики в топе уже надоели.

Вот, кстати, да. Очень грамотно, взвешенно и без истерик и кумачей. Очень приятно читать такие материалы.

Можно добавить фоточку с очень характерным гиперзвуковым клювом:

1 Мах - это не скорость звука, число Маха - это вообще не скорость. Когда уже журналисты прочитают хотя бы википедию по предмету и начнут грамотно писать.

Edited at 2019-01-11 05:02 (UTC)

И по поводу длительности полёта при М=27. Обратите внимание на верх графика скоростей: при входе в атмосферу (высота 100км) до примерно 90 км скорость звука снижается. Благодаря хорошему аэродинамическому качеству авангард теоретически может довольно долго планировать в этом коридоре. Да, его скорость в км/ч будет снижаться, но в махах оставаться примерно той же. И при этом он будет за горизонтом радиовидимости для радаров раннего предупреждения.

Теоретически да, такое возможно. Но на 80 км воздух все-таки слишком разряжен, в похожий режим я как-то попал в Orbiter на высоте примерно 50 км.

враньё как укренившаяся привычка

Эх =мах=... да ещё мах ... Ещё много - много, нах ...
Враньё и понты,как укоренившаяся привычка,ещё из тех кругов,где усвоил: понты - дороже денег ...

Re: враньё как укренившаяся привычка

кастрюля, ты малька глуповат, тебе мама об этом не говорила?

Здравствуйте!
Ваша запись попала в топ-25 популярных записей LiveJournal. Подробнее о рейтинге читайте в Справке.

Здравствуйте! Ваша запись попала в топ-25 популярных записей LiveJournal России! Подробнее о рейтинге читайте в Справке.

простой вопрос -- вообще кто-то что-то обоснованно показал? Ну например реальную дальность в гиперсониковом режиме. Это же только глайдер. Во-первых "совершенно очевидно" (ц) что скорость 27 и хоть 127 махов -- это при входе в относительно плотные слои атмосферы, это где-то 50-80км, скорее всего. Далее, движка там, совершенно очевидно (ц) нет. Дык а сколько тогда эта вундервафля пролетит на гиперзвуке в планирующем режиме? 500км, 1000км? А до того сбивается GBI на заатмосферном участке полёта?
Во-вторых, а кто говорит что вундервавлю будет трудно найти. В инфрареде должна светится хорошо и быть видимой со спутнеков.
например --- spacenews.com/lockheed-martin-secures-2-9-billion-air-force-contract-for-three-missile-warning-satellites/

Ну а кинетические перехватчеки - не единственные возможные :) Чую против такой вундервафли и 500кТ не жалко :) А вообще думаю это дело хорошее, амеры будут космос развивать, может новую СОЮ создадут <3

Даже на ложные цели на Р-36 ставили движки, чтобы они, при торможении в верхней атмосфере, не отставали от настоящих. Вопрос не в том, есть или нет движок, а какой у него запас характеристической скорости.

Секрет словоблудия прост
террористов действительно мочат в сортире,
но сортир у каждого свой. =))

Вывод ещё проще: не сиди в "М" - иди в "ЖО" Уцелеешь!


Понятно, что в безвоздушном пространстве
никакой духовности нет
нет и её антагонистов. =))

"в социальных сетях - объявленной скорости в 27 Махов поверили не все", зато поверили военные в Пентагоне )) Икспердов просят расслабиться.

Edited at 2019-01-11 06:27 (UTC)

Пентагон "поверит" во всё, этож подарок на новый бюджет