Небаллистический вход в атмосферу — это класс траекторий входа в атмосферу , которые следуют небаллистической траектории , используя аэродинамический подъем в высоких верхних слоях атмосферы. Он включает такие траектории, как прыжок и скольжение. [1] [2]
Skip — траектория полета, при которой космический аппарат входит в атмосферу и выходит из нее. Glide — траектория полета, при которой космический аппарат остается в атмосфере в течение длительного периода времени полета. [1] В большинстве примеров skip-reputry примерно удваивает дальность полета суборбитальных космических самолетов и возвращаемых аппаратов по сравнению с чисто баллистической траекторией. В других случаях серия skip-reputs позволяет еще больше увеличить дальность полета.
Небаллистический вход в атмосферу был впервые серьезно изучен как способ увеличения дальности баллистических ракет , но не использовался оперативно в этой форме, поскольку были введены обычные ракеты с увеличенной дальностью. Базовые аэродинамические концепции были использованы для создания маневренных боеголовок (MARV), чтобы повысить точность 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 Avangard . Расширение дальности используется как способ обеспечения полетов на более низких высотах, помогая избегать обнаружения радаром в течение более длительного времени по сравнению с более высокой баллистической траекторией.
Эта концепция также использовалась для увеличения времени возвращения на Землю для аппаратов, возвращающихся с Луны, которым в противном случае пришлось бы терять большую скорость за короткое время и, таким образом, страдать от очень высоких скоростей нагрева. Командный модуль Apollo также использовал то, что по сути является скачком возвращения, как и советский Zond и китайский Chang'e 5-T1 .
Концептуальная основа была впервые замечена немецкими артиллерийскими офицерами, которые обнаружили, что их снаряды стрелы Peenemünder Pfeilgeschosse летели гораздо дальше, когда стреляли с больших высот. Это не было полностью неожиданным из-за геометрии и более разреженного воздуха, но когда эти факторы были учтены, они все еще не могли объяснить гораздо большие наблюдаемые дальности. Исследования в Пенемюнде привели их к открытию того, что более длинные траектории в более разреженном воздухе на большой высоте приводили к тому, что снаряд имел угол атаки , который создавал аэродинамическую подъемную силу на сверхзвуковых скоростях. В то время это считалось крайне нежелательным, поскольку это делало траекторию очень сложной для расчета, но его возможное применение для увеличения дальности не ускользнуло от наблюдателей. [3]
В июне 1939 года Курт Патт из конструкторского бюро Клауса Риделя в Пенемюнде предложил крылья для преобразования скорости и высоты ракеты в аэродинамическую подъемную силу и дальность полета. [4] Он подсчитал, что это примерно удвоит дальность полета ракет A-4 с 275 километров (171 миля) до примерно 550 километров (340 миль). Ранняя разработка рассматривалась под названием A-9, хотя в течение следующих нескольких лет в компании Zeppelin-Staaken было проведено мало работ, кроме исследований в аэродинамической трубе . Исследования низкого уровня продолжались до 1942 года, когда они были отменены. [5]
Самое раннее известное предложение по концепции планирующего ракетного самолета для действительно дальнего использования относится к 1941 году, когда был разработан проект Silbervogel , предложенный Ойгеном Зенгером, по созданию бомбардировщика с ракетным двигателем , способного атаковать Нью-Йорк с баз в Германии , а затем лететь дальше и приземляться где-нибудь в Тихом океане, находящемся во владении Японской империи . Идея заключалась в том, чтобы использовать крылья летательного аппарата для создания подъемной силы и перехода на новую баллистическую траекторию, снова выходя из атмосферы и давая летательному аппарату время остыть между скачками. [6] Позднее было показано, что тепловая нагрузка во время скачков была намного выше, чем первоначально рассчитывалось, и могла расплавить космический корабль. [7]
В 1943 году работа над A-9 была снова отряхнута, на этот раз под названием A-4b . Было высказано предположение, что это было либо потому, что теперь он был основан на иным образом немодифицированном A-4, [5] либо потому, что программа A-4 к этому времени имела «национальный приоритет», и размещение разработки под названием A-4 гарантировало финансирование. [8] A-4b использовал стреловидные крылья , чтобы увеличить дальность полета V2 достаточно, чтобы позволить атаковать города Великобритании в Мидлендсе или достичь Лондона из районов, более глубоких в пределах Германии. [3] A-9 изначально был похож, но позже получил длинные оживальные дельтовидные крылья вместо более традиционных стреловидных. Эта конструкция была адаптирована в качестве пилотируемой верхней ступени для межконтинентальной ракеты A-9/A-10, которая должна была планировать из точки над Атлантикой с достаточной дальностью, чтобы бомбить Нью-Йорк, прежде чем пилот выпрыгнет . [8] [a]
Сразу после войны советский инженер-ракетчик Алексей Исаев нашел копию обновленного отчета августа 1944 года о концепции Зильберфогеля . Он перевел статью на русский язык, и в конечном итоге она попала в поле зрения Иосифа Сталина , который был крайне заинтересован в концепции антиподного бомбардировщика . В 1946 году он отправил своего сына Василия Сталина и ученого Григория Токати , который также работал над крылатыми ракетами до войны, посетить Зенгера и Ирен Бредт в Париже и попытаться убедить их присоединиться к новой работе в Советском Союзе . Зенгер и Бредт отклонили приглашение. [10]
В ноябре 1946 года Советы сформировали конструкторское бюро НИИ-1 под руководством Мстислава Келдыша для разработки собственной версии без Зенгера и Бредта. [11] Их ранние работы убедили их перейти от концепции гиперзвукового скип-глайда с ракетным двигателем к сверхзвуковой крылатой ракете с прямоточным воздушно- реактивным двигателем , мало чем отличающейся от Navaho , разрабатываемой в США в тот же период. Разработка продолжалась некоторое время как бомбардировщик Келдыша , но усовершенствования обычных баллистических ракет в конечном итоге сделали проект ненужным. [10] [b]
В Соединенных Штатах концепция skip-glide пропагандировалась многими немецкими учеными, которые переехали туда, в первую очередь Вальтером Дорнбергером и Крафтом Эрике из Bell Aircraft . В 1952 году Белл предложил концепцию бомбардировщика, которая по сути была версией Silbervogel с вертикальным запуском , известной как Bomi. 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 . [12] Ранние проекты в основном представляли собой бомбардировщики, в то время как более поздние модели были нацелены на разведку или другие роли. Дорнбергер и Эрике также сотрудничали в статье Popular Science 1955 года , продвигая идею использования в авиалайнере. [13] [14]
Введение успешных межконтинентальных баллистических ракет (МБР) в наступательной роли положило конец любому интересу к концепциям бомбардировщиков-скачков, как и разведывательный спутник для роли шпионского самолета. Космический истребитель X-20 пользовался постоянным интересом в 1960-х годах, но в конечном итоге стал жертвой сокращения бюджета; после очередного 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 миссии для ее выполнения. [15]
В 1960-х годах концепция skip-glide представляла интерес не как способ увеличения дальности, что уже не было проблемой для современных ракет, а как основа для маневренных боеголовок для МБР. Основной целью было заставить ГЧ изменить свой путь во время входа в атмосферу, чтобы противоракеты (ПРО) не могли отслеживать их движения достаточно быстро для успешного перехвата. Первым известным примером были испытания Alpha Draco 1959 года, за которыми последовала серия испытаний Boost Glide Reentry Vehicle (BGRV), ASSET [16] и PRIME . [17]
Это исследование в конечном итоге было использовано в боеголовке MARV Pershing II . В этом случае отсутствует расширенная фаза 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 от инерциальной навигационной системы Singer Kearfott с активным радаром Goodyear Aerospace . [18] Аналогичные концепции были разработаны для большинства ядерных держав для баллистических ракет театра военных действий .
Советский Союз также вложил некоторые усилия в разработку МАРВ, чтобы избежать американских ПРО, но закрытие американской обороны в 1970-х годах означало, что не было причин продолжать эту программу. Ситуация изменилась в 2000-х годах с введением в действие американской наземной системы обороны на среднем участке траектории , что заставило Россию реанимировать эту работу. В октябре 2016 года сообщалось, что транспортное средство , именуемое в советское время объектом 4202 , прошло успешное испытание. [19] Система была публично представлена 1 марта 2018 года как гиперзвуковой планирующий аппарат (ГБА) «Авангард » , который официально поступил на вооружение в качестве полезной нагрузки МБР 27 декабря 2019 года. [ 20] Владимир Путин объявил, что «Авангард» поступил в серийное производство, заявив, что его маневренность делает его неуязвимым для всех современных систем противоракетной обороны. [21]
Китай также разработал планирующую боеголовку DF-ZF (известную американской разведке как «WU-14»). [22] В отличие от американских и российских проектов MARV, основная цель DF-ZF заключается в использовании планирующей боеголовки для увеличения дальности полета на более низких высотах, чем это было бы использовано для достижения той же цели с использованием чисто баллистической траектории. Это предназначено для того, чтобы держать ее вне поля зрения радаров боевой системы Aegis ВМС США как можно дольше и тем самым сократить время, которое система должна отреагировать на атаку. DF-ZF была официально представлена 1 октября 2019 года. Аналогичные усилия России привели к проектам испытаний гиперзвуковых ракет «Холод» и GLL-8 «Игла» , а совсем недавно — гиперзвукового планирующего аппарата Ю-71, который может нести РС-28 «Сармат» . [23] [24]
Планирующий ракетный ускоритель стал темой, вызывающей определенный интерес, как возможное решение для требования США Prompt Global Strike (PGS), которое ищет оружие, способное 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 боеголовку планирующего ракетного ускорителя Advanced Hypersonic Weapon , гиперзвуковой самолет Falcon HTV-2 и ракеты, запускаемые с подводных лодок. [25] Lockheed Martin разрабатывает эту концепцию как гиперзвуковую AGM-183A ARRW . [26]
Эта техника использовалась советской серией окололунных космических аппаратов «Зонд» , которые использовали один скачок перед посадкой. В этом случае требовался настоящий скачок, чтобы позволить космическому аппарату достичь высокоширотных посадочных зон. Зонд 6 , Зонд 7 и Зонд 8 совершили успешные скачки, хотя Зонд 5 этого не сделал. [27] [28] Чанъэ 5-Т1 , который летал по профилям миссии, похожим на Зонд, также использовал эту технику.
Командный модуль Apollo использовал концепцию скипа, чтобы снизить тепловые нагрузки на транспортное средство за счет увеличения времени повторного входа, но космический корабль больше не покидал атмосферу, и были серьезные споры о том, делает ли это его истинным профилем скипа. NASA называло это просто «подъемным входом». Настоящий профиль с несколькими скипами рассматривался как часть концепции управления скипом Apollo, но он не использовался ни в одном пилотируемом полете. [29] Эта концепция продолжает появляться на более современных транспортных средствах, таких как космический корабль Orion , который совершил первый американский скип-вход в миссии Artemis 1 , используя бортовые компьютеры. [30] [31] [32]
Используя упрощенные уравнения движения и предполагая, что во время полета в атмосфере как сила сопротивления, так и подъемная сила будут намного больше силы тяжести, действующей на транспортное средство, можно вывести следующие аналитические соотношения для полета с отскоком и возвращением в атмосферу: [33]
где - угол траектории полета относительно местной горизонтали, индекс E указывает на условия в начале входа, а индекс F указывает на условия в конце полета при входе.
Скорость до и после входа можно вывести следующим образом:
где - коэффициент лобового сопротивления транспортного средства.
{{cite book}}: CS1 maint: бот: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )