Число маха

США и КНР: пытаясь догнать Россию

Комплекс «Авангард» — это, по сути, не ракета как таковая, а универсальный боевой блок, который может быть установлен на любую из ракет, находящихся в российском стратегическом арсенале.


Разумеется, попав в руки военных, гиперзвуковые разработки обрастают аурой секретности, в силу чего многие параметры разрабатываемых аппаратов нам доподлинно неизвестны, а для некоторых у нас даже нет официальных фотографий, которые заменены рисунками «по мотивам». Однако для вооруженного взгляда эксперта, имеющего представление о сущности гиперзвукового движения, ход разработок по гиперзвуковым летательным аппаратам не является «страшной военной тайной». Особенно учитывая тот факт, что большая часть советских разработок уже не просто разглашена, но и снабжена официальными фотографиями и описаниями.

Кроме того, работы по УББ ведутся не только в России, но и в США и КНР, которые тоже хотят получить в свое распоряжение похожее оружие. В частности, Штаты в 2010-х годах испытывали свой УББ под совершенно неудобоваримым названием «Продвинутое Гиперзвуковое Оружие» (Advanced Hypersonic Weapon, AHW), который они ускорили с помощью ракетных двигателей до скорости около 10М, а потом свалили на голову «условного противника», отрабатывая управляемое движение и планирование с гиперзвуковыми скоростями. Причем в качестве управляющего элемента упоминалась «биконическая форма» AHW, которая, по сути, копировала подход советской разработки 15Ф178. Правда, испытания AHW, как было заявлено, были признаны «малоуспешными».

Еще меньше официальной информации есть о китайской разработке, получившей условное наименование WU-14. В 2014—2016 годах КНР семь раз успешно испытали этот гиперзвуковой объект, продекларировав в качестве цели «научные задачи». Конечно, способность развивать скорость в диапазоне 5—10 М и управляемый гиперзвуковой полет мало чем помогают в деле исследования верхних слоев земной атмосферы, однако вполне могут использоваться для доставки к цели ядерного оружия с гарантированным прорывом ПРО, а также для создания носителя для высокоточных неядерных средств поражения.

Таким образом, и США, и КНР, и Россия вплотную подошли к серийному производству гиперзвуковых управляемых блоков. При этом российский «Авангард» выглядит на голову выше американской и китайской разработок — как в вопросе доведенности конструкции, так и в части максимальной скорости.

«Он сгорел бы дотла!»

Вокруг максимальной скорости «Авангарда» в 27 М, кстати, построено главное возражение комментаторов-критиков. Мол, для таких скоростей характерен высокий нагрев любого движущегося тела в атмосфере, в силу чего управляемый полет такого тела невозможен. Якобы «любые рули или крылья просто сгорят».

Начнем с того, что на гиперзвуке, под которым понимается движение со скоростями 5—30 М, присутствует совсем другая аэродинамика. За счет совсем иной, гораздо более высокой скорости потока, никаких «крыльев» или «рулей» для аппарата не нужно, он рулит исключительно своим корпусом. Вариант с ведущим конусом в носу аппарата или подвижной «юбкой» в хвосте, кстати, — лишь один из возможных. Например, американский космический челнок Space Shuttle и советский «Буран» также «рулили» на гиперзвуковом входе в атмосферу, но делали это с помощью управляемого наклона своего собственного корпуса аэродинамической формы

Движущиеся же элементы позволяют делать такие маневры более быстрыми и непредсказуемыми, что критически важно для гиперзвукового оружия

Второй факт, который не понимают критики управляемых боевых блоков, в том числе российского «Авангарда», заключается в том, что для «одноразовых» по сути гиперзвуковых объектов, которыми являются УББ, совершенно не нужны никакие тугоплавкие «сверхматериалы». 

Конечно, в свое время те же американцы вполне просчитывали всяческие альфа- и гамма-алюминиды титана, углерод-углеродные композиты, титановые композиты с металлической матрицей и кремний-углеродными волокнами для своего многоразового гиперзвукового самолета Х-30. Однако выяснилось, что это слишком дорого и не столь надежно, как давно проверенная выгорающая абляционная защита. 


Технология абляционной защиты уже много раз испытана на спускаемых аппаратах, которые аж со второй космической скоростью возвращали автоматические станции и пилотируемые аппараты в атмосферу Земли. Каждый раз, когда спускаемый аппарат «Союза» или «Аполлона», челнок Space Shuttle или «Буран» заходили в атмосферу, они испытывали на себе все факторы гиперзвукового полета. При этом даже обычная «фара» спускаемого аппарата «Союза» осуществляет пассивный гиперзвуковой маневр, спасая космонавтов от сверхперегрузок так называемого «баллистического» спуска с орбиты, которые вынуждены были терпеть космонавты первых советских кораблей «Восток» и «Восход».

Еще более показательна ситуация с космическими челноками: они не только «рулят» на гиперзвуке, но и осуществляют затем управляемую посадку, уже с использованием классических крыльев и аэродинамических рулей. Последние, за счет правильно созданной теплозащиты, вполне сохраняются при гиперзвуковом полете и действуют при посадке на землю.

Так что, критикам беспокоиться за «Авангард» не стоит. Садиться на военный аэродром ему не надо. «Авангарду» достаточно уверенно найти его в момент «удара возмездия» и гарантированно поразить цель. Ну а недоверчивым критикам стоит подучить курс физики.

Число Маха в газовой динамике

Число Маха

M=va,{\displaystyle {\mathsf {M}}={\frac {v}{a}},}

где v{\displaystyle v} — скорость потока, а a{\displaystyle a} — местная скорость звука,

является мерой влияния сжимаемости среды в потоке данной скорости на его поведение: из уравнения состояния идеального газа следует, что относительное изменение плотности (при постоянной температуре) пропорционально изменению давления:

dρρ∼dpp,{\displaystyle {\frac {d\rho }{\rho }}\sim {\frac {dp}{p}},}

из закона Бернулли разность давлений в потоке dp∼ρv2{\displaystyle dp\sim \rho v^{2}}, то есть относительное изменение плотности:

dρρ∼dpp∼ρv2p.{\displaystyle {\frac {d\rho }{\rho }}\sim {\frac {dp}{p}}\sim {\frac {\rho v^{2}}{p}}.}

Поскольку скорость звука a∼pρ{\displaystyle a\sim {\sqrt {p/\rho }}}, то относительное изменение плотности в газовом потоке пропорционально квадрату числа Маха:

dρρ∼v2a2=M2.{\displaystyle {\frac {d\rho }{\rho }}\sim {\frac {v^{2}}{a^{2}}}={\mathsf {M}}^{2}.}

Наряду с числом Маха используются и другие характеристики безразмерной скорости течения газа:

коэффициент скорости

λ=vvK=γ+12M(1+γ−12M2)−12{\displaystyle \lambda ={\frac {v}{v_{K}}}={\sqrt {\frac {\gamma +1}{2}}}{\mathsf {M}}\left(1+{\frac {\gamma -1}{2}}{\mathsf {M}}^{2}\right)^{-1/2}}

и безразмерная скорость

Λ=vvmax=γ−12M(1+γ−12M2)−12,{\displaystyle \Lambda ={\frac {v}{v_{\max }}}={\sqrt {\frac {\gamma -1}{2}}}{\mathsf {M}}\left(1+{\frac {\gamma -1}{2}}{\mathsf {M}}^{2}\right)^{-1/2},}

где vK{\displaystyle v_{K}} — критическая скорость,

vmax{\displaystyle v_{\max }} — максимальная скорость в газе,
γ=cpcv{\displaystyle \gamma ={\frac {c_{p}}{c_{v}}}} — показатель адиабаты газа, равный отношению удельных теплоёмкостей газа при постоянных давлении и объёме соответственно.

«Ни у одной страны нет гиперзвукового оружия»

Россия — единственная в мире страна, на вооружении которой находится гиперзвуковое оружие, отмечал 24 декабря Владимир Путин.

«Ни у одной страны сегодня нет гиперзвукового оружия вообще, а гиперзвукового оружия континентальной дальности — тем более», — сказал он.

Также по теме Стремительное сдерживание: названы предельные показатели скорости ракетного комплекса «Авангард» Гиперзвуковой ракетный комплекс межконтинентальной дальности «Авангард» в ходе последних испытаний достиг скорости порядка 27 Махов…

В ходе испытаний выпущенная «Авангардом» ракета достигла скорости в 27 Махов, подчёркивал в декабре прошлого года вице-премьер Юрий Борисов. Число Маха, упрощённо, демонстрирует, во сколько раз скорость летательного аппарата выше скорости звука в определённой среде. В случае с «Авангардом», таким образом, можно говорить о скорости в 33 тыс. км/ч.

Учитывая такую скорость, «практически ни одна противоракета не может его сбить», подчёркивал Борисов.

«Практически обнуляется противоракетная оборона. Очень тяжело этот блок обнаружить и тем более поразить», — говорил он в эфире «Россия 24» в декабре прошлого года.

Причём касается это не только существующих систем ПРО, но и перспективных, отметил военный эксперт, полковник в отставке Виктор Литовкин.


«Боевой блок имеет скорость 27 Махов — это 27 скоростей звука, летит по непредсказуемой траектории, его не в состоянии перехватить ни одна система ПВО: ни нынешняя, ни перспективная», — сказал он RT.

В то же время «Авангард» не нарушает Договор о сокращении и ограничении стратегических наступательных вооружений (СНВ-III). Об этом в эфире «Россия 24» рассказал постоянный член Совета безопасности России и бывший глава Минобороны Сергей Иванов.

«У нас были испытательные пуски в 2012—2013 годах, они проводились строго в рамках всех международных соглашений, и даже сейчас, с принятием на вооружение «Авангарда», мы не выйдем ни из каких параметров СНВ-III, например», — подчёркивал он.

В ноябре США провели инспекцию «Авангарда» в рамках СНВ-III. Об этом сообщило Минобороны России.

«В рамках реализации Договора между Российской Федерацией и Соединёнными Штатами Америки о мерах по дальнейшему сокращению и ограничению стратегических наступательных вооружений в период с 24 по 26 ноября на территории РФ американской инспекционной группе был продемонстрирован ракетный комплекс «Авангард» с гиперзвуковым планирующим крылатым блоком», — говорится в сообщении.

До этой демонстрации в США сомневались, что «Авангард» действительно существует, но теперь наличие этого комплекса будет действовать успокаивающе на излишне воинственных политиков в Вашингтоне, считает Литовкин.

Предельно упрощённое объяснение числа Маха

Для понимания числа Маха неспециалистами очень упрощённо можно сказать, что численное выражение числа Маха зависит, прежде всего, от высоты полёта (чем больше высота, тем ниже скорость звука и выше число Маха). Число Маха — это истинная скорость в потоке вещества (то есть скорость, с которой воздух обтекает, например, самолёт), делённая на скорость звука в этом веществе в этих условиях. У земли скорость, при которой число Маха будет равно 1, будет равна приблизительно 340 м/с (скорость, с использованием которой люди оценивают расстояние до приближающейся грозы, измеряя время от вспышки молнии до дошедших раскатов грома) или 1224 км/ч. На высоте 11 км из-за падения температуры скорость звука ниже — около 295 м/с или 1062 км/ч.

Такое объяснение не может использоваться для каких бы то ни было математических расчётов скорости или иных математических операций по аэродинамике.

Предельно упрощённое объяснение числа Маха

Для понимания числа Маха неспециалистами очень упрощённо можно сказать, что численное выражение числа Маха зависит, прежде всего, от высоты полёта (чем больше высота, тем ниже скорость звука и выше число Маха). Число Маха — это истинная скорость в потоке (то есть скорость, с которой воздух обтекает, например, самолёт), делённая на скорость звука в конкретной среде, поэтому зависимость является обратно пропорциональной. У земли скорость, соответствующая 1 Маху, будет равна приблизительно 340 м/с (скорость, с использованием которой люди оценивают расстояние до приближающейся грозы, измеряя время от вспышки молнии до дошедших раскатов грома) или 1224 км/ч. На высоте 11 км из-за падения температуры скорость звука ниже — около 295 м/с или 1062 км/ч.

Такое объяснение не может использоваться для каких бы то ни было математических расчётов скорости или иных математических операций по аэродинамике.

V1

Скорость принятия решения. Это расчитанная для данных условий взлета скорость, до достижения которой должно быть принято решение о продолжении или прекращении взлета. Причем оставшейся располагаемой дистанции должно хватать как для прерванного, так и для продолженного взлета (даже с учетом потери тяги отказавшего двигателя, если таковое произошло). В дистанцию продолженного взлета входит остаток ВПП, а в дистанцию прерванного взлета — остаток ВПП + КПБ.

V1 зависит от многих факторов, таких, как: метеоусловия (ветер, температура), состояние покрытия ВПП, взлетный вес самолёта и другие. В случае, если отказ произошёл на скорости, большей V1, единственным решением будет продолжить взлёт и, затем произвести посадку. Большинство типов самолётов ГА сконструированы так, что, даже если на взлёте откажет один из двигателей, остальных двигателей хватит, чтобы, разогнав машину до безопасной скорости, подняться на минимальную высоту, с которой можно зайти на глиссаду и посадить самолёт.

Число М (число Маха)

Число́ Ма́ха — в механике сплошных сред — отношение локальной скорости потока к местной скорости звука. Зачастую используется упрощённое определение числа Маха как отношения скорости тела, движущегося в газовой среде, к скорости звука в данной среде. Такое определение не вполне корректно, так как скорости потоков в окрестностях движущегося тела зависят от его формы.

Чаще всего такое определение используется в оценочных характеристиках ЛА: их скорость задаётся безразмерным числом в формате «M n «, где «n «-десятичное число. Например, «скорость M 2 » — обозначает что скорость летательного аппарата в 2 раза превышает скорость звука. Пересчёт такой скорости в линейную скорость затруднён, так как скорость звука в воздухе зависит от его плотности (и, соответственно, высоты полёта) и температуры. Вместе с тем шкала скоростей Маха широко применяется в авиации, так как аэродинамические свойства и условия обтекания летательных аппаратов при близких значениях числа Маха также близки.

Воздушная скорость

Скорость ЛА относительно воздуха. Различают два вида воздушной скорости:

истинная воздушная скорость (TAS)

Действительная скорость, с которой ЛА движется относительно окружающего воздуха за счёт силы тяги двигателя(ей). Вектор скорости в общем случае не совпадает с продольной осью ЛА. На его отклонение влияют угол атаки и скольжение ЛА;

скорость по прибору (IAS)

Скорость, которую показывает прибор, измеряющий воздушную скорость. На любой высоте эта величина однозначно характеризует несущие свойства планера в данный момент. Значение приборной скорости используется при пилотировании ЛА;

Число Маха в газовой динамике

Число Маха

M=va,{\displaystyle {\mathsf {M}}={\frac {v}{a}},}

где v{\displaystyle v} — скорость потока, а a{\displaystyle a} — местная скорость звука,

является мерой влияния сжимаемости среды в потоке данной скорости на его поведение: из уравнения состояния идеального газа следует, что относительное изменение плотности (при постоянной температуре) пропорционально изменению давления:

dρρ∼dpp,{\displaystyle {\frac {d\rho }{\rho }}\sim {\frac {dp}{p}},}

из закона Бернулли разность давлений в потоке dp∼ρv2{\displaystyle dp\sim \rho v^{2}}, то есть относительное изменение плотности:

dρρ∼dpp∼ρv2p.{\displaystyle {\frac {d\rho }{\rho }}\sim {\frac {dp}{p}}\sim {\frac {\rho v^{2}}{p}}.}

Поскольку скорость звука a∼pρ{\displaystyle a\sim {\sqrt {p/\rho }}}, то относительное изменение плотности в газовом потоке пропорционально квадрату числа Маха:

dρρ∼v2a2=M2.{\displaystyle {\frac {d\rho }{\rho }}\sim {\frac {v^{2}}{a^{2}}}={\mathsf {M}}^{2}.}

Наряду с числом Маха используются и другие характеристики безразмерной скорости течения газа:

коэффициент скорости

λ=vvK=γ+12M(1+γ−12M2)−12{\displaystyle \lambda ={\frac {v}{v_{K}}}={\sqrt {\frac {\gamma +1}{2}}}{\mathsf {M}}\left(1+{\frac {\gamma -1}{2}}{\mathsf {M}}^{2}\right)^{-1/2}}

и безразмерная скорость

Λ=vvmax=γ−12M(1+γ−12M2)−12,{\displaystyle \Lambda ={\frac {v}{v_{\max }}}={\sqrt {\frac {\gamma -1}{2}}}{\mathsf {M}}\left(1+{\frac {\gamma -1}{2}}{\mathsf {M}}^{2}\right)^{-1/2},}

где vK{\displaystyle v_{K}} — критическая скорость,

vmax{\displaystyle v_{\max }} — максимальная скорость в газе,
γ=cpcv{\displaystyle \gamma ={\frac {c_{p}}{c_{v}}}} — показатель адиабаты газа, равный отношению удельных теплоёмкостей газа при постоянных давлении и объёме соответственно.

Рожденный в СССР

Первые работы над маневрирующими боевыми блоками начались в СССР. В нашей стране еще в начале 1970-х годов была принята программа по разработке перспективных вариантов прорыва американской системы ПРО. 

Такой подход считался своеобразным «заделом на будущее», так как к середине 1970-х годов в глобальном противостоянии США и СССР сложилось хрупкое равновесие. С одной стороны, возможности систем ПРО обеих стран были в значительной мере ограничены принятым в 1972 году Договором о ПРО, но, с другой стороны, точно так же были ограничены и наступательные возможности стратегических ядерных сил. В частности, договоры ОСВ-I и ОСВ-II запрещали сооружение новых пусковых позиций МБР, ограничивали число разделяющихся головных частей индивидуального наведения для МБР (РГЧ ИН) и вводили ограничение на число ракет для подводных лодок.

В силу такой коллизии в СССР возникла и была воплощена в жизнь идея поднятия «качества» отдельной РГЧ ИН, раз уж нельзя задавить врага количеством запускаемых МБР и их головных частей индивидуального наведения.


Именно в это время для знаменитой МБР Р-36М2 «Воевода» (SS-18 Satan в западной классификации) в днепропетровском ОКБ «Южное» разрабатывали управляемый боевой блок 15Ф178.

УББ «Воеводы» был оснащен аэродинамической системой маневрирования — отклоняемый конус на носу блока и специальная «юбка» на его хвосте позволяла на гиперзвуковых скоростях управлять блоком без применения реактивных двигателей. Впрочем, о реактивных двигателях тоже не забыли — на блоке был установлен бак с жидкой углекислотой под давлением, который позволял начинать маневр еще на заатмосферном участке траектории.

В 1980-х годах в СССР было проведено шесть успешных испытаний управляемого гиперзвукового блока, а после распада страны днепропетровский разработчик гиперзвукового блока, КБ «Южное», передал всю документацию на Оренбургский машзавод, производивший сам блок для программы испытаний. В России полученный задел был сохранен, и с конца 1980-х годов работы по гиперзвуковым блокам были положены в основу последующих разработок. 

Так, в 1987 году подмосковным «НПО Машиностроение» в городе Реутов были начаты работы по созданию МБР «Альбатрос» с маневрирующим и планирующим гиперзвуковыми блоками, которые, входя в атмосферу по баллистическим траекториям и со скоростями, сравнимыми с первой космической, могли бы осуществлять неожиданный гиперзвуковой маневр до 1000 километров по горизонтали — и поражать цели в непредсказуемых местах и с неожиданных направлений. В верхних слоях атмосферы, на высоте воображаемой «линии Кармана», отделяющей на высоте 100 км ближний космос от земной атмосферы, такие блоки могли двигаться с относительной скоростью 17—22 M, что соответствуют абсолютной скорости 4,7—6,2 км/с.

С этим пресловутым «числом Маха», кстати, связана и первая ошибка комментаторов полета «Авангарда».

Дело в том, что 1 М или «один Мах» — это скорость звука в воздухе. Однако она различна для атмосферного воздуха разной температуры, давления и, как следствие, плотности и составляет 340 м/c на уровне моря, но лишь 282 м/с — для разреженной и холодной атмосферы Земли на высоте 80 километров. На большой высоте гиперзвуковая скорость ниже, как ниже там и плотность воздуха. Поэтому высказывания в духе «Да он улетел бы в космос на скорости 27 М!» скорее свидетельствуют о непонимании физики комментаторами — в реальности такая относительная скорость на высоте около 80 километров соответствует абсолютной скорости 7,6 км/с.

Однако вернемся к истории. В середине 1990-х годов работы над МБР «Альбатрос» и гиперзвуковыми блоками для нее, на фоне общего упадка ВПК в России, были прекращены. Но уже через несколько лет на месте закрытой темы «Альбатроса» были начаты работы, приведшие в итоге к созданию гиперзвуковых блоков для МБР «Ярс», а также других ракет нового поколения — «Сармата» и «Булавы». 

Именно эта разработка была презентована под названием «Авангард» широкой общественности в декабре 2018 года.


С этим читают