ПРЕДЛОЖЕНИЕ
О разработке перспективного перехватчика по программе
вооружений ВС РФ на 2016-2025 годы.
Базовые примеры: МиГ-31
F-104 «Старфайтер»
Проект Прудникова В. А. «Стриж» (прилагается)
Базовые положения:
1. Применение водорода как перспективного топлива для гиперзвуковых скоростей полёта с использованием охлаждающего потенциала жидкого водорода;
2. Применение в конструкции планера перехватчика суперволокон с перспективой волокна из углеродных нанотрубок (ВУН);
3. Применение изобретения Прудникова В. А. Суть изобретения – кессон крыла, верхнюю полку которого представляет собой связка из стальных или титановых труб с обмоткой под углом к продольной оси из суперволокна, в основном воспринимающей радиальные и меридиональные напряжения высокого давления водорода внутри труб (частично они воспринимаются трубами); при этом давление на торцы труб создаёт момент, разгружающий конструкцию крыла от напряжений сжатия в верхней полке, вызываемых подъёмной силой крыла, в итоге данный кессон при равном весе прочнее классического, а при равной прочности – легче классического.
Считается, что ТРДДФ способен обеспечить скорость до 5 М – границы начала гиперзвука, далее требуются или комбинированные турбопрямоточные двигатели, или оснащение ЛА, помимо ТРДДФ, ГПВРД. Отсюда ясно, что совершенно естественно задать максимальную скорость на высоте перспективного перехватчика именно пятью единицами Маха, отложив дальнейший рост скорости на следующие поколения перехватчиков.
Что касается маневренности, то надо принять тот же её показатель, что и у МиГ-31, то есть 5 g, так как в качестве резерва при уничтожении целей необходима авиапушка, наличие которой требует удовлетворительной маневренности. Но оговорим, что это – показатель боевой маневренности, после выполнения боевой задачи при возвращении на базу вполне можно ограничиться стандартным показателем для неманевренных ЛА в 2,5 g. Это позволяет отказаться от системы восстановления давления в трубах для восстановления прочности, предусмотренной в проекте «Стрижа», что также означает экономию массы.
Уже при 3 М актуальной становится проблема охлаждения ЛА от кинетического нагрева, при 5 М эта проблема усугубится. На SR-71 эта проблема решалась применением в качестве охладителя углеводородного топлива, при этом нагретое топливо немедленно сжигалось. То же самое надо применить и на перспективном перехватчике, но при 5 М этого будет недостаточно, потребуется охлаждающий потенциал жидкого водорода. Однако невозможно длительное боевое дежурство с заправленным жидким водородом, отсюда вытекает, что таковая заправка должна производиться прямо перед вылетом по тревоге, то есть перспективный перехватчик должен иметь как кессон крыла, заправленный водородом под высоким давлением, так и ёмкости под жидкий водород. Это могут быть как баки в фюзеляже, так и трубы с обмоткой суперволокном в крыле, в килях и в фюзеляже, входящие или не входящие в силовую схему планера – по замыслу и решению конструктора. Ясно, что газообразный водород из кессона должен расходоваться в последнюю очередь, так как это понижает прочность крыла, и это совершенно логично – ведь жидкий водород будет нагреваться и выкипать.
Перехватчик может быть как с прямым трапециевидным крылом малого удлинения – тогда его облик будет подобен американскому F-104, так и со стреловидным крылом – тогда он будет похож на МиГ-31; у того и у другого применялись тонкие профили с остроносым профилем и отклоняющимся носком крыла. При высокой тяговооружённости звуковой барьер преодолевается быстро и без особых проблем, а у прямого крыла выше жёсткость, к тому же удобнее располагать трубы кессона с водородом, что даст более высокий весовой выигрыш, поэтому прямое крыло может оказаться выгоднее, но это также по замыслу и решению конструктора. Но так как выигрыш от более высокой жёсткости складывается с выигрышем от удобного базирования труб кессона, с высокой вероятностью можно предположить, что выбор будет за прямым крылом.
Если вернуться к проекту «Стрижа», то видно, что в нём за счёт большой площади крыла и относительно толстого профиля в 6% эффект упрочнения крыла давлением водорода был высок. В кессоне перехватчика он будет существенно ниже, как из-за меньшего размера крыла, так и из-за того, что диаметр труб будет около половины текущей строительной высоты профиля, то есть из-за уменьшения относительного размера плеча разгружающего момента. Можно пойти по пути применения труб маленького диаметра, но это представляется нерациональным, так как очень возрастёт вес соединительных питающих трубок подачи водорода и штуцеров в трубах кессона. В проекте «Стрижа» рассмотрен вариант заделки торцов труб, позволяющий повышать давление водорода до 2 700 ат в варианте «Стриж-4» и выше, что вместе с проточкой или прошлифовкой труб даст хороший результат, но это только при обмотке ВУН. К сожалению, это пока дальняя перспектива, поэтому в перспективном перехватчике надо рассчитывать на обмотку кевларом, волокном из кварца, карбидокремниевым волокном, бороволокном и прочими, а это значит, что пока придётся ограничиться давлением водорода не выше 800 ат, иначе слишком возрастёт масса кессона за счёт обмотки. Зато у конструкторов перехватчика будет большой оперативный простор для легко реализуемого прогресса в будущем – достаточно будет только менять трубы кессона и изменять регулировку редукторов системы подачи водорода в КС, а также настройки и программы регулирования подачи топлива бортовой АСУ.
Весовые характеристики перспективного перехватчика можно взять на примере МиГ-31, за исключением двигателей. Ведь родные два Д-30Ф6 МиГ-31 имеют массу по 2 416 кг при тяге на форсаже по 15 500 кГ, а у АЛ-31ФМ3 уже достигнута тяга в 15 300 кГ при массе 1 530 кг. То есть надо рассчитывать на них, тем более, что у перспективного перехватчика должен быть ещё и воздушно-водородный, то есть практически ракетный двигатель. Правда, СУ в сумме с его массой будет легче, чем сумма масс двух Д-30Ф6, и это хорошо, так как экономия массы пойдёт на дополнительное топливо для увеличения дальности и продолжительности полёта. У «Стрижа» на воздушно-водородный двигатель задано 350 кг. Зададим для перспективного перехватчика в связи с большей массой 500 кг. Тогда, вычтя из массы СУ МиГ-31 4 832кг массу СУ перспективного перехватчика 3 560 кг, получим 1 272 кг, которые добавим к массе топлива. Итого для перспективного перехватчика:
1. Максимальная взлётная масса - 46 760 кг;
2. Масса пустого - 20 548 кг;
3. Масса СУ - 3 560 кг;
4. Масса топлива - 18 602 кг.
5.
Заметим, что масса топлива в данном случае – это сумма масс авиакеросина и водорода, но теплотворная способность водорода в 4 раза больше, чем у керосина, то есть эквивалентная масса топлива, приведённая к керосину, существенно выше, чем 18 602 кг, но для точного числа надо делать расчет перспективного перехватчика.
Перспективный перехватчик, помимо полёта ниже практического потолка и на нём, для дальнего перехвата целей в Арктике и на Тихом океане должен применять полёт на высотных горках. Тактика предполагается такой – после взлёта и набора высоты разгон при работе всех трёх двигателей с расходованием части жидкого водорода, который при этом охлаждает перехватчик, после достижения максимальной скорости и практического потолка – ввод в высотную горку с выключением двигателей, по возврату к практическому потолку маневр при необходимости повторяется. После пуска ракет по целям при израсходовании всего жидкого водорода – разворот на обратный курс с максимальной эксплуатационной перегрузкой и разгон с расходом водорода из труб кессона. При этом прочность крыла уменьшается, но это уже не важно, так как и перехватчик уже гораздо легче, и впереди – своя территория и свой аэродром. Перед входом в плотные слои надо радикально уменьшать скорость, так как охлаждать борт кроме турбохолодильника уже почти нечем (почти – так как в запасе ещё охлаждение авиакеросином), но эффективность этого на скорости выше 3 М проблематична).
Помимо своего основного предназначения, перспективный перехватчик призван сыграть роль переходного самолёта к реализации проекта «Стрижа», так как он гораздо проще. Действительно, резюмируем упрощения:
1. В связи с малой рабочей перегрузкой нет нужды помещать пилота в воду, малая площадь крыла и малая перегрузка уменьшают вес крыла и всего планера, в итоге снижаются требования к весо-прочностной отдаче конструкции, и можно обойтись привычными материалами и технологиями, без применения пенометаллов.
2. В связи с остроносым профилем можно обойтись без применения трансформации профиля крыла в остроносый, как предусмотрено проектом для «Стрижа» - а это тоже фактор уменьшения и массы, и стоимости.
3. В связи с отсутствием острой необходимости восстанавливать прочность кессона крыла после выполнения боевой задачи вполне можно отказаться от спецкомпрессоров для закачки в трубы кессона воздуха после израсходования водорода – это тоже уменьшение массы и стоимости.
4. Можно отработать технологию обмотки труб суперволокнами с меньшей стоимостью, чем ВУН, а также вопросы эксплуатации кессонов в менее нагруженных условиях.
5. Отрабатываются вопросы эксплуатации воздушно-водородных двигателей.
6. Возможна отработка вопросов работы воздушно-водородных двигателей как водородно-кислородных при установке на перспективном перехватчике мощной кислорододобывающей станции. То есть до израсходования жидкого водорода можно накопить много газообразного сжатого кислорода, который, сгорая вместе с водородом кессона в КС, даст большой прирост тяги.
Зато, несмотря на эти упрощения, на перспективном перехватчике будет отрабатываться весьма важный для «Стрижа» вопрос – заправки жидким водородом непосредственно перед вылетом и эксплуатации топливной системы с жидким и газообразным водородом.
ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ
1. ВУН – волокно из углеродных нанотрубок
2. ТРДДФ – турбореактивный двухконтурный двигатель с форсажом
3. ГПВРД – гиперзвуковой прямоточный воздушнореактивный двигатель
4. ЛА – летательный аппарат
5. АСУ - автоматическая система управления
6. СУ – силовая установка
Прудников В. А. 29.12.2013