Гиперзвуковая крылатая ракета должна не просто разогнаться быстрее пяти скоростей звука, а сохранять тягу во время полёта в атмосфере. Для такой задачи инженеры используют scramjet, сверхзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель, который сжигает топливо в потоке воздуха, продолжающем двигаться быстрее звука. Именно такая схема позволяет часами не летать, конечно, но заметно дольше поддерживать гиперзвуковую скорость, чем при простом разгоне ракеты с последующим полётом по инерции.
Главное преимущество scramjet заключается в кислороде. Обычная ракета несёт на борту не только топливо, но и окислитель, тогда как scramjet забирает кислород непосредственно из атмосферы. Освободившиеся масса и объём могут достаться дополнительному топливу, системам управления или полезной нагрузке. Платой становится двигатель, который работает только в достаточно плотной атмосфере и требует огромной начальной скорости.
Внутри scramjet нет привычного компрессора с вращающимися лопатками. Воздух сжимают форма воздухозаборника и собственная скорость аппарата. После сжатия в поток впрыскивается топливо, смесь воспламеняется, а горячие газы расширяются через сопло и создают тягу.
Самая сложная часть скрыта в двух буквах слова scramjet. Название расшифровывается как supersonic combustion ramjet, то есть прямоточный двигатель со сверхзвуковым горением. Обычный ramjet тормозит поступающий воздух перед камерой сгорания до дозвуковой скорости. В scramjet поток остаётся сверхзвуковым даже во время горения топлива. Подробный разбор различий между такими схемами есть и в материале SecurityLab о гиперзвуковых технологиях.
На скоростях выше Маха 5 традиционная схема ramjet начинает терять эффективность. Сильное торможение воздуха создаёт ударные волны, повышает температуру и увеличивает потери энергии. Сверхзвуковое горение позволяет избежать полного торможения потока, но создаёт другую проблему. Воздух проходит камеру сгорания за миллисекунды, поэтому топливо должно успеть распылиться, смешаться с кислородом, воспламениться и выделить достаточно энергии практически мгновенно.
Инженеры иногда сравнивают задачу с попыткой зажечь спичку во время урагана. Пламя должно оставаться устойчивым внутри потока, движущегося с огромной скоростью. Одновременно приходится контролировать ударные волны, давление и положение области горения. Небольшое нарушение потока способно вызвать так называемый unstart, при котором нормальная работа воздухозаборника нарушается, тяга резко падает, а аппарат может потерять устойчивость.
Ситуацию усложняет нагрев. На гиперзвуковой скорости воздух перед аппаратом сильно сжимается, а корпус, воздухозаборник и двигатель испытывают экстремальные тепловые нагрузки. Поэтому разработчикам приходится одновременно решать задачи аэродинамики, горения, охлаждения и материаловедения. Воздухозаборник, камера сгорания, сопло и корпус фактически превращаются в единую силовую установку, изменение геометрии одного элемента влияет на работу остальных.
Scramjet также не способен нормально стартовать с места. Аппарат сначала приходится разогнать ракетным ускорителем или другим носителем до нескольких скоростей звука. Только после выхода в расчётный диапазон двигатель начинает использовать набегающий поток воздуха для сжатия и сгорания топлива.
Работоспособность принципа NASA убедительно показало ещё в 2004 году. Экспериментальный беспилотный X-43A с прямоточным двигателем разогнался примерно до Маха 9,6. Рекордный полёт доказал, что устойчивое сверхзвуковое горение возможно почти на десятикратной скорости звука, хотя превращение экспериментального двигателя в серийную силовую установку оказалось куда более сложной задачей.
Военных scramjet привлекает возможностью создавать гиперзвуковые крылатые ракеты с постоянной тягой. Такая ракета отличается от boost-glide-систем, где ускоритель сначала разгоняет планирующий блок, после чего аппарат продолжает полёт без маршевого воздушно-реактивного двигателя. Работающий scramjet потенциально позволяет дольше сохранять скорость и активнее менять траекторию в атмосфере.
США проверяли такую архитектуру в программе HAWC, которую DARPA и ВВС использовали для отработки гиперзвуковой крылатой ракеты с углеводородным scramjet. Среди основных проблем программы разработчики отдельно называли устойчивый гиперзвуковой полёт, тепловые нагрузки и стоимость конструкции. После HAWC агентство продолжило развитие технологии в проекте MOHAWC.
Высокая скорость сама по себе не делает гиперзвуковую систему неуязвимой. Дальность, высота, манёвренность и скорость зависят от режима работы двигателя, плотности воздуха и запаса топлива, а сильный нагрев усложняет работу электроники, датчиков и систем наведения. Поэтому успешный стендовый запуск или один испытательный полёт ещё не означают появления надёжного серийного оружия.
Scramjet привлекателен именно сочетанием кажущейся простоты и крайне сложной физики. В двигателе почти нет движущихся деталей, а кислород поступает прямо из воздуха. Но за такой простотой скрывается необходимость управлять горением, которое длится считанные миллисекунды, удерживать поток в узком рабочем диапазоне и не дать конструкции разрушиться от температуры. Именно поэтому идея сверхзвукового прямоточного двигателя известна десятилетиями, а превращение scramjet в надёжную серийную силовую установку до сих пор остаётся одной из самых трудных задач гиперзвуковой техники.
