Введение
Беспилотный экспериментальный сверхзвуковой самолет США, 1991–2000 гг.
NASA X-43 был экспериментальным беспилотным гиперзвуковым самолетом, существовавшим в нескольких запланированных масштабируемых вариантах для испытания различных аспектов гиперзвукового полета. Он являлся частью серии самолетов X и, в частности, программы Hyper-X NASA, разработанной в конце 1990-х годов. Самолет установил несколько рекордов скорости для реактивных аппаратов. X-43 – самый быстрый реактивный самолет, зафиксированный на скорости около 9,6 Маха. Для запуска использовалась крылатая ракета-носитель с X-43, установленным сверху, называемая "стеком", которая сбрасывалась с Boeing B-52 Stratofortress. После того, как ракета-носитель (модифицированная первая ступень ракеты Pegasus) разгоняла "стек" до целевой скорости и высоты, она отбрасывалась, и X-43 продолжал полет самостоятельно, используя свой двигатель – прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД). Первый самолет серии, X-43A, был одноразовым аппаратом, было построено три экземпляра. Первый X-43A был уничтожен после отказа в полете в 2001 году. Два других успешно совершили полеты в 2004 году, установив рекорды скорости, при этом ПВРД работал около 10 секунд, за которыми следовало 10-минутное планирование и преднамеренное приводнение в океан. Планы по созданию новых самолетов серии X-43 были приостановлены или отменены и заменены программой X-51, управляемой ВВС США.
Разработка
X-43 был частью программы Hyper-X НАСА, в которой участвовали американское космическое агентство и такие подрядчики, как Boeing, Micro Craft Inc., Orbital Sciences Corporation и General Applied Science Laboratory (GASL). Micro Craft Inc. построила X-43A, а GASL – его двигатель. Одной из основных целей NASA Aeronautics Enterprise была разработка и демонстрация технологий для воздушно-реактивного гиперзвукового полета. После отмены программы Национального аэрокосмического самолета (NASP) в ноябре 1994 года в Соединенных Штатах отсутствовала комплексная программа развития гиперзвуковых технологий. Как одна из программ, разработанных НАСА в конце 1990-х годов по принципу "лучше, быстрее, дешевле", Hyper-X использовала технологии и результаты исследований, полученные в рамках программы NASP, что позволило продвинуться к демонстрации гиперзвукового воздушно-реактивного двигателя.
Hyper-X Phase I была программой NASA Aeronautics and Space Technology Enterprise, совместно проводимой Исследовательским центром Лэнгли в Хэмптоне, штат Вирджиния, и Исследовательским центром полетов Драйдена в Эдвардсе, штат Калифорния. Лэнгли являлся ведущим центром и отвечал за разработку гиперзвуковых технологий. Драйден отвечал за летные исследования. Первая фаза представляла собой семилетнюю программу стоимостью около 230 миллионов долларов, направленную на летную проверку прямоточного воздушно-реактивного двигателя (скремджета), гиперзвуковой аэродинамики и методов проектирования. Последующие фазы не были продолжены, поскольку серия самолетов X-43 была заменена в 2006 году на X-51.
Дизайн
Самолет X-43A был небольшим беспилотным испытательным аппаратом длиной чуть более [укажите длину]. Аппарат имел конструкцию подъемного корпуса, в которой корпус самолета создавал значительную часть подъемной силы, а не полагался на крылья. Вес самолета составлял примерно [укажите вес]. X-43A был разработан для обеспечения полной управляемости на высоких скоростях, даже в режиме планирования без двигательной установки. Однако самолет не предназначался для посадки и возврата. Испытательные аппараты падали в Тихий океан после завершения испытаний. Движение на скоростях, измеряемых числами Маха, генерирует значительное тепло из-за ударных волн сжатия, возникающих при сверхзвуковом аэродинамическом сопротивлении. На высоких числах Маха тепло может достигать такой интенсивности, что металлические части конструкции могут расплавиться. X-43A компенсировал это, циркулируя воду за обтекателем двигателя и передними кромками боковых стенок, охлаждая эти поверхности. Во время испытаний циркуляция воды активировалась примерно на скорости 3 Маха.
Двигатель
Корабль был создан для разработки и испытания сверхзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД) с дожиганием, или "скрамджета" – разновидности двигателя, в котором внешнее сгорание происходит в потоке воздуха, движущемся со сверхзвуковой скоростью. Разработчики X-43A спроектировали фюзеляж самолета как часть двигательной системы: передняя часть служит воздухозаборником, а задняя – соплом. В качестве топлива для двигателя X-43A в основном использовался водород. В ходе успешного испытания было израсходовано около 20% топлива. В отличие от ракет, аппаратам, оснащенным скрамджетами, не требуется нести на борту кислород для работы двигателя. Отказ от необходимости транспортировки кислорода значительно уменьшает размеры и вес аппарата. В будущем такие более легкие аппараты смогут выводить на орбиту более тяжелые полезные грузы или грузы той же массы, но с большей эффективностью. Скрамджеты работают только на скоростях 4,5 Маха и выше, поэтому для первоначального разгона аппарата с скрамджетом до этой скорости необходимы ракеты или другие реактивные двигатели. В случае X-43A самолет был разогнан до высокой скорости ракетой Pegasus, запущенной с модернизированного бомбардировщика Boeing B-52 Stratofortress. Совместная система X-43A и Pegasus была названа "стеком" членами команды проекта. Во время второго испытания в марте 2004 года Pegasus успешно отделился и выпустил испытательный аппарат на высоте около 100 км. После разделения воздухозаборник двигателя открылся, двигатель запустился, и самолет ускорился, отделившись от ракеты, достигнув скорости, при которой топливо поступало в двигатель в течение 11 секунд, за которые аппарат пролетел более 100 км. После отделения ракеты-носителя Pegasus аппарат испытал небольшое снижение скорости, но затем двигатель скрамджета разогнал его в восходящем полете. Он достиг скорости 9,68 Маха на высоте 33 357 м, что позволило дополнительно проверить способность аппарата выдерживать тепловые нагрузки.
Замена
В январе 2006 года ВВС США объявили о разработке системы быстрого реагирования и запуска с континентальной части США – многоразовой ракеты FALCON. В марте 2006 года было объявлено, что экспериментальный летательный аппарат прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД) сверхзвукового горения "WaveRider", разработанный Исследовательской лабораторией ВВС (AFRL), получил обозначение X-51A. Первый полет Boeing X-51 ВВС США состоялся 26 мая 2010 года после сброса с бомбардировщика B-52.
Варианты
После испытаний X-43 в 2004 году инженеры NASA Dryden заявили, что ожидают, что все их усилия приведут к созданию двухступенчатого пилотируемого орбитального аппарата примерно через 20 лет. Ученые выразили большие сомнения в том, что в обозримом будущем появится одноступенчатый пилотируемый орбитальный аппарат, подобный Национальному аэрокосмическому самолету (NASP). Планировалось создание других аппаратов X-43, но по состоянию на 2013 год их разработка была приостановлена или отменена. Ожидалось, что они будут иметь ту же базовую конструкцию, что и X-43A, хотя самолеты должны были быть умеренно или значительно больше по размерам.
X-43B
X-43B был полноразмерным летательным аппаратом, оснащенным турбино-прямоточным комбинированным циклом (TBCC) или ракетно-прямоточным комбинированным циклом (RBCC) двигателем ISTAR. Реактивные турбины или ракеты первоначально разгоняли аппарат до сверхзвуковой скорости. Прямоточный воздушно-реактивный двигатель мог включаться начиная с 2,5 Маха, а двигатель переходил в гиперзвуковую конфигурацию (скремджет) примерно на скорости 5 Маха.
X-43C
X 43C был несколько больше, чем X 43A, и должен был проверить возможность использования углеводородного топлива, возможно, с двигателем HyTech. В то время как в большинстве конструкций прямоточных воздушно-реактивных двигателей используется водород в качестве топлива, HyTech работает на обычном керосиновом углеводородном топливе, которое более практично для обеспечения работы эксплуатируемых аппаратов. Планировалось создание полноразмерного двигателя, который использовал бы собственное топливо для охлаждения. Система охлаждения двигателя должна была функционировать как химический реактор, расщепляя длинноцепочечные углеводороды на короткоцепочечные для быстрого сгорания. Программа X 43C была приостановлена на неопределенный срок в марте 2004 года. В приложенной статье сообщается о бессрочной приостановке проекта и выступлении контр-адмирала Крейга Э. Стайдла на слушаниях подкомитета Палаты представителей по вопросам космоса и авиации 18 марта 2004 года. К середине 2005 года финансирование X 43C, по всей видимости, было обеспечено до конца года.
X-43D
X 43D был бы почти идентичен X 43A, но расширил бы диапазон скоростей до числа Маха 15. По состоянию на сентябрь 2007 года было проведено только исследование осуществимости Дональдом Б. Джонсоном из Boeing и Джеффри С. Робинсоном из Исследовательского центра Лэнгли НАСА. Согласно введению к исследованию, "целью X 43D является сбор информации об условиях полета на высоких скоростях и работоспособности двигателя, которую сложно, если не невозможно, получить на земле".