Американский гиперзвук: догоняют Россию и Китай, или выходят вперёд?

Удачные испытания ракеты Dark Eagle или системы LRHW уже успешно проводились в 2024 году, но сейчас о нём гораздо активнее пишут в российских СМИ. Пишут разное, от шапкозакидательства, до базового информирования.

Отчасти повод для шапкозакидательства есть – Россия, а с недавних пор и Китай уже довольно существенно обгоняют США по развитию класса гиперзвукового оружия. Но, как всегда, есть нюансы. Гиперзвуковое оружие сложное и дорогое, а главное разное, и вот тут, как обычно, дьявол кроется в деталях.

Означают ли американские испытания прорыв в военных технологиях, или американцы просто догоняют нас? Зачем нужно такое оружие и в чём его особенности? Какие преимущества может дать новая ракета для США, и кто её главный потенциальный «получатель»?

Гиперзвуковое оружие – главное зачем?

Все мы знаем, что скорость летательных аппаратов исчисляют в Мах, то такая величина, которая позволяет исчислять скорость в условиях сопротивления среды. В целом 1 Мах равен примерно скорости звука в стандартных условиях, или 1225 км/ч (340 м/с). Ну а на больших высотах, в более разряженном воздухе эти показатели несколько меняются.

Сверхзвуковая скорость, это выше 1 Мах, а гиперзвуковая начинается после преодоления барьера в 5-6 Мах. Опыты с таким оружием ведутся давно, но успехи в этом у большинства спорные, связано это с определением «гиперзвуковое оружие» - не всё, что летит к цели на гиперзвуке, является таковым, но про это позже.

Главное преимущество собственно скорость. Ракета на гиперзвуке гораздо менее заметна для радиолокационных станций, что мешает не только её собственно сбить, но даже обнаружить до поражения цели. Причём не только системам ПВО, но и для более мощного оборудования систем раннего предупреждения. По сути, ракета летит со скоростью больше, чем взрывная волна многих видов взрывчатки у эпицентра взрыва, или быстрее пули снайперской винтовки.

Но не только малозаметность преимущество, наиболее современные ЗРК уже закладываются в проекте на работу и по гиперзвуку (например, американские THAAD или российские С-500), так что тут скорее дело времени. Однако сама по себе огромная скорость требует невероятного быстродействия всей системы противоракетной обороны (ПРО), ведь гиперзвуковая ракета летит со скоростью от 2 км в секунду или быстрее. Кратно быстрее снаряда из танковой пушки.

Кроме того требуются незаурядные скорости для зенитных управляемых ракет (ЗУР), которые сами должны развивать около или выше порога гиперзвука. У НАТО такие ЗУР есть – Aster 30, в 4,5 Маха, это в Европе (Франция и Италия). У США (а перспективы их военного сотрудничества с Европой всё более туманны) это противоракета ЗРК THAAD, которая выжимает до 8 Мах.

Противоракета 77Н6-Н для российских С-500 разгоняется до 10,3 Мах, согласно доступным данным. Иными словами вам становятся нужны и зенитные гиперзвуковые ракеты. Всё это и сложно, и очень дорого, как вы понимаете.

Однако системы раннего предупреждения, командные пункты дивизионов ЗРК должны моментально реагировать на угрозы, и работать слаженно, как часы, или ещё лучше. Но в любом случае, реальная специфика реального противостояния гарантирует, что даже передовая ПВО/ПРО будет и пропускать, и мазать.

В условиях большой сложности использования ядерного оружия (ЯО), и технической, и дипломатической, именно неядерный гиперзвук станет в скором будущем полем разборок крупных держав. И как инструмент сдерживания, и как аргумент, и как гонка вооружений.

Почему не всё, что летит на гиперзвуке гиперзвуковое оружие?

Вопрос сложный, а как классифицировать такой тип оружия. Например, боевые блоки с разделяющейся головной частью (ББ РГЧ) межконтинентальных баллистических ракет (МБР), выводятся на околоземную орбиту, после чего планируют к цели с огромной высоты. Уже на начальных участках полёта ББ РГЧ летит со скоростью гиперзвука, и в широком смысле это гиперзвуковое оружие.

Особенности гиперзвука

Начнём с того, что само достижение такой скорости порождает массу проблем. Скорость на разных этапах меняется из-за особенностей слоёв атмосферы. Объект в полёте подвергается огромным перегрузкам, а корпус раскаляют огромные температуры. При прохождении высот до плотных слоёв атмосферы (до тропосферы) вокруг тела ионизирует окружающий газ от распада молекул атмосферы, образуя облако плазмы.

Управлять на плазменных этапах объектом невозможно, а это в свою очередь усложняет само наведение того же ББ. Объекту нельзя передать радиокоманд, а высокие температуры усложняют использование внешних органов управления из-за сильного обгорания. Сама плазменная среда не располагает и собственно к маневрированию объекта.

Управление как разделяющимся блоком, так и моноблоком аналогичны. От ракеты отделяется блок разведения (или боевая ступень), который с промежутками отделяет боевые блоки и боеголовки, которые летят по баллистической траектории. Само нацеливание происходит в момент разделения, а на подлёте к цели боевые блоки разгоняются до свыше 20 Мах.

Типы гиперзвукового оружия

Итак, самое время разъяснить о чём идёт речь, когда мы говорим о гиперзвуковом оружии.

ББ РГЧ – стандартная боевая часть ракет типа МБР или средней дальности, на 3, 6 или иное число ядерных боеголовок. Боевой блок способен атаковать таким образом несколько целей одновременно. Управление ограничено, корректировки происходят перед вхождением в атмосферу, или уже в плотных слоях атмосферы. На большей части маршрута движение боевого блока легко просчитывается, от того современные средства ПРО способны их перехватить.

Глайдер или УББ – у нас это называется планирующий крылатый боевой блок. По сути это уже управляемый боевой блок (УББ). Именно такой боевой блок и составляет основную часть межконтинентального ракетного комплекса Авангард.

Используются аэродинамические аспекты – балансировочный угол атаки, объект как бы скользит к цели под углом. Создаётся подъёмная сила, и она позволяет корректировать полёт на участках траектории в тропосфере (10-15 км высоты). На доплазменном этапе (до 120-90 км высоты) так же можно осуществлять корректировку. Внешние органы управления – прочные выпирающие сегменты, аэродинамическая юбка, сопла со вдувом рабочего тела изатмосферы. Всё это позволяет эффективно маневрировать на гиперзвуке в по продольной оси.

Таким образом, принцип полёта напоминает дельтаплан, а маневрирование можно осуществить по продольной оси, как бы рысканием. При таком принципе полёта УББ имеет менее предсказуемую траекторию, а его перехват средствами ПРО крайне затруднён. Единственный недостаток, это то, что с одного пуска одной ракеты, мы имеем неразделимый моноблок. Нельзя атаковать множество целей за пуск одной ракеты.

Гиперзвуковая ракета – крылатая ракета (или скорее условно крылатая), для которой гиперзвук является крейсерской скоростью, которая достигается работой собственного двигателя.

На сегодня это одно из основных направлений гиперзвуковой гонки. В первую очередь, потому, что предполагает использование неядерной боевой части (БЧ), а значит её использование не ограничено. Стоимость УББ настолько высока, что использование неядерной БЧ, более спорное занятие, чем забивание гвоздей микроскопом буквально.

Однако и с гиперзвуковыми ракетами всё не так просто. Высокие перегрузки и температура требуют системы охлаждения, для развития скорости требуется больший объём топливного отделения. Всё это отбирает массогабаритные объёмы у собственно боевой части.

Проблемы ракет на гиперзвуке

Потому вместо стандартных твердотопливных ракетных двигателей (РДТТ) перспективнее использовать гиперзвуковые прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ГПВРД), в англоязычной терминологии - Scramjet. Обычные воздушно-реактивные двигатели (ПВРД) давно применяются в ракетах, хотя на сегодня это чаще исчезающий тип, из-за больших габаритов и невозможности стартовать с места. Более известны реактивные двигатели на истребителях в турбореактивном исполнении – ТРД.

Прямоточный двигатель не требует окислителя для сжигания топлива, им служит «заглатываемый» из среды воздух, как и у реактивных самолётов. Это позволяет нехило экономить на силовой установке в пользу полезного груза. Однако в таких двигателях есть особенность – они экспериментальны, и по сей день не разрешены принципиальные проблемы их технического исполнения.

В обычном турбореактивном двигателе заглатываемая воздушная масса тормозится до дозвуковых скоростей и сжимается, теми самыми лопастями (турбокомпрессор). Дозвуковая скорость потока нужна чтобы сжечь топливно-воздушную массу. После чего через лопасти уже разгоняющей турбины и сходящееся-расходящееся сопло, образовавшаяся энергия выталкивается, создавая тягу летательного аппарата.

Аппараты на прямоточном двигателе (ПВРД) не имеют компрессора и турбины, для сжатия топливовоздушной массы. Сжатие обеспечивает диффузор внутри – сужающаяся область, но нужен внешний разгон объекта, для создания эффекта сжатия. Здесь существенное преимущество в гораздо меньшей проблеме перегрева и минимуме деталей. Но есть радикальный недостаток – рост скорости усиливает поток воздуха, его меньше скапливается в диффузоре, падает энергия от топливно-воздушной массы. В итоге ПВРД справляются только на около сверхзвуковых скоростях.

ГПВРД это развитие ПВРД, но нет диффузора – имеется впуск, топливный инжектор, камера сгорания и сопло тяги. Очень сложно объяснить на пальцах его принцип работы, проще объяснить проблемы, ведь представление о работе турбореактивного и прямоточного двигателя у вас есть.

Главная проблема гиперзвукового двигателя – кинетическая энергия поступающего на сверхзвуке воздушного потока очень высока, и растёт с ростом скорости. Топливо и воздух не успевают смешиваться, а топливно-воздушная смесь сгореть. На скоростях около 8Мах, энергия поступающего потока и сгораемого топлива уравнивается, отчего эффективным гиперзвуком считают скорости в нижнем пределе гиперзвука – 6 Мах.

Техническая же сложность – подача топлива. Его сжимают насосом, а воспламеняют температурой фюзеляжа от высокого трения. В иных случаях используют самовоспламеняющееся топливо (пироформное). Наконец третья ключевая проблема – давление. Чтобы поддерживать скорость сгорания постоянной (а она растёт с ростом скорости), аппарат должен постоянно набирать высоту параллельно набору скорости.

На практике с трудом удаётся продержать такие аппараты в воздухе, время активной работы исчисляется в секундах, а скорость балансирует у порога гиперзвука в 5Мах. Аппаратом сложно маневрировать, ведь перепады скорости тянут за собой перегрев камеры сгорания и детонацию (требуется сложное техническое исполнение системы впрыска топлива). От самодетонации они в общем и гибли на испытаниях. Рекорд на сегодня 210 секунд полёта для американской ракеты Боинг Х-51.

Гиперзвук и негиперзвук

Вы спросите, а к чему все эти неуклюжие попытки разобраться в устройствах различных двигателей. Ведь ракеты в массе своей летают на твердотопливных двигателях (РДТТ), и могут с их помощью выходить на гиперзвук, пределы работы сгораемого твёрдого топлива через сопла – диапазон около 2000 – 3000 м/с. Мы и сами приводили в пример в начале статьи зенитные ракеты, которые выжимают по 8 и 10 Мах. Есть ракеты Кинжал и Циркон, так же гиперзвуковые.

Вот в этой детали кроется новый нюанс. Комплекс «Кинжал» использует в качестве носителя перехватчик МиГ-31, способный разгонятся до скоростей около 2,8 Мах, и осуществлять пуск с высот стратосферы, где меньше сопротивления. При подвесе к самолёту ракета имеет обтекатель на оперении, дабы снизить аэродинамические сопротивления, и только после сброса включается первая (и единственная) ступень самой ракеты. Но между сбросом и включением двигателя проходит некоторое время.

В итоге имеем сложности привязки позиционирования при старте двигателя, тем более ракета до его пуска имеет колебания. Соответственно для точного попадания мы имеем проблемы с начальным этапом полёта и его координатами, для точного расчёта траектории к цели. Ракета часть пути идёт в плазменом этапе, а значит нет возможности передавать координаты, ровно как и получать их для управления полётом.

Третья проблема в самом двигателе – РДТТ, имеет очень ограниченный запас по дальности полёта. Кинжал при общей массе около 4 000 кг, имеет топливный отсек на 2 500 кг, что даёт дальность около 500 км (при боевой части 450 кг), что аналогично собственно ракетам комплекса Искандер, и послужившим донором этой самой ракеты.

Таким образом только 500 км участок ракета Кинжал может пройти на гиперзвуке, от общей дальности в 2 000 – 3 000 км, где остальное проходит носитель – Миг-31, Ту-22М3М, модернизации Ту-95. Однако тип пуска, где двигатель запускается после сброса ракеты усложняет наведение.

Наконец под вопросом система маневрирования на гиперзвуке, что по идее должно обеспечить неуязвимость ракеты для систем ПВО/ПРО. Ещё опыты с УББ в 60-70 годы показали сложность и крыльев, и газодинамических двигателей, способных корректировать полёт тела на гиперзвуке при характерных перегрузках и прочих особенностях. Независимые эксперты о принципах корректировок

Кинжалов в полёте дают в основном очень обобщённую информацию. Таким образом мы получаем баллистическую ракету, которая просто в качестве пусковой установки имеет иной тип носителя – самолёт или боевой корабль.

Международные эксперты, включая китайских, не относят комплексы Кинжал к гиперзвуковому оружию, ведь баллистические ракеты так и так могут достигать гиперзвука, но в силу ограничения массы и топлива ненадолго. Существенную дальность полёта на гиперзвуке РДТТ обеспечить не может. Его может обеспечить ГПВРД, но техническое их воплощение пока не решено даже на экспериментальном уровне.

Похожа ситуация и с ракетой Циркон для российского флота. Диапазон дальности действия дан от 450 км до 1000 км, в некоторых источниках для 1000 км пометка – с массой боевой части 64 кг. Такая боевая часть годна для противокорабельного использования, но для атак по крупным объектам на суше слишком слаба. Скорее всего общие характеристики аналогичны крылатым ракетам Оникс (схожие габариты пусковых) стартовая масса которых около 3000 кг.

Что с американским гиперзвуком?

Таким образом мы видим ситуацию, что реально гиперзвуковым современным оружием являются проекты УББ. Планирующие управляемые боевые блоки, они способны выходить на гиперзвук около 20 Мах и маневрировать на нём, обходя тем самым любые системы ПВО/ПРО включая перспективные. Несмотря на ограниченные сведения о возможностях американского гиперзвукового комплекса, в открытых данных фигурирует именно маневрирующий блок. Косвенно мы можем судить и по запредельной цене за одну ракету – 41 миллион долларов (с учётом, вероятно, НИОКР). И это ради рабочей дальности, заявленной всего в 2776 км.

Хотя американцы и заявили о применении ракет с неядерной боевой частью, опционально ядерную БЧ на такой боевой блок установить. Очевидно, такая система ответ на китайские ракетные комплексы Дунфэн-17, которые по некоторым данным включают маневрирующие блоки с дальностью 2 500 км (в Дунфэн-26 до 5 000 км). Таким образом китайцы в силах доставить свои боевые блоки на территорию США, в обход доступных средств противодействия. При этом с приличным для такого оружия КВО (круговое вероятное отклонение, по некоторым данным всего 100 метров)

Отличительная особенность этих систем – пуск с мобильных пусковых, а значит сам старт ракеты, выводящей боевой блок на орбиту, сложно зафиксировать, ведь пусковую можно развернуть где угодно на своей территории. По сути, мы с вами видим ракетные комплексы средней дальности, аналогичные советским комплексам РСД-10 Пионер, или современному комплексу «Орешник».

И теперь подходим к основному выводу – американцы и китайцы создают комплексы, которые по российской аналогии являются чем-то вроде комплекса «Орешник», но с боевой частью, принцип действия которой аналогичен «Авангарду», который относится к классу межконтинентальному (свыше 5 500 км по дальности). Американская система LRHW это элемент противостояния с Китаем, подготовка к конфликту на Тихом океане, или же инструмент сдерживания. Короче, американо-китайская гонка вооружений.

КПД применения столь сложной и запредельно дорогой ракеты без ядерной боеголовки очень низок. Тем не менее это возможности наносить удары, которые невозможно отразить, в том числе и по центрам принятия решений. А значит, что с ядерной боеголовкой, что без, такое оружие весомый аргумент. США планируют поставить на вооружение 300 таких ракет.

В итоге перед Россией может стать проблема новой гонки вооружений. Технологические возможности создания такого оружия у нас есть, но это огромные расходы. Такой тип вооружений невероятно расточителен, но очевидно становится важным инструментом сдерживания конфликтов крупных держав, без угрозы применения ядерного оружия.