Scurt istoric
Zborul hipersonic, definit ca zborul prin atmosferă cu viteze de peste 5 Mach (asta înseamnă aproximativ 6400 km/h) nu este nou. Rachetele V2 atingeau viteze de ordinul Mach 5 iar Yuri Gagarin a devenit în 1961 primul om care a călătorit cu asemenea viteze urmat la scurt timp de Alan Shepard.
În același an, în 9 noiembrie 1961, Robert White, maior în Air Force, a atins o viteză de 6585 km/h la altitudinea de 30,9 km, la bordul avionului experimental X-15.
X-15 Sursa foto: wikipedia
Rachetele balistice intercontinentale au în general viteze hipersonice de reintrare în atmosferă în timp ce naveta spațială americană – Space Shuttle, cel mai scump și mai tehnologizat planor din lume, avea o viteză de reintrare în atmosferă de circa 22 Mach.
Prin urmare, pentru cei mai mulți dintre noi, zborul hipersonic n-ar trebui să fie o surpriză iar reușitele rusești sau chinezești n-ar trebui să ne mire prea mult. Doar că, armele hipersonice sunt puțin diferite de celelalte „obiecte zburătoare hipersonice”.
Definiție
În primul rând, conform unora dintre sursele lecturate de mine în cursul documentării acestui articol, rachetele balistice nu sunt încadrate în categoria armelor hipersonice în ciuda faptului că ating viteze hipersonice, unul din elementele definitorii ale unei arme hipersonice fiind zborul manevrier prin atmosferă cu viteze cuprinse între 5 Mach și 27 Mach. Prin urmare, pentru a fi în prezența unei arme hipersonice, ar trebui îndeplinite condițiile enunțate mai sus.
Clasificarea rachetelor
Sunt două mari categorii de rachete: balistice și de croazieră.
Rachetele balistice, după cum le spune și numele, au o traiectorie balistică în marea majoritate a zborului lor. Un alt element demn de menționat este faptul că rachetele balistice nu sunt propulsate de motorul rachetă pe toată durata zborului lor. Motorul le ridică până la o anumită altitudine, apoi gravitația rezolvă restul problemei.
Rachetele balistice sunt clasificate la rândul lor în funcție de raza de acțiune. Astfel, avem rachete balistice cu rază scurtă, denumite și tactice, cu o rază de acțiune de sub 1000 km, rachete balistice cu rază medie, cuprinsă între 1000 și 3000 km, cu rază intermediară de acțiune (3000 – 5500 km) și, în sfârșit, rachete balistice cu rază lungă, denumite și intercontinentale, a căror rază de acțiune depășește 5500 km.
După cum vedeți în poza de mai jos, zborul unei rachete balistice trece prin mai multe faze: prima este cea în care este propulsată de motorul rachetă până la oprirea acestuia când debutează următoarea fază în care racheta încă are o traiectorie ascendentă, în virtutea impulsului inițial asigurat de motor. După atingerea altitudinii maxime, racheta intră pe o traiectorie descendentă. În cazul ICBM-urilor, această fază durează aproximativ 20 minute iar racheta atinge o viteză de circa 24000 km/h. Acesta este poate și motivul pentru care se încearcă interceptarea rachetelor balistice în această fază a zborului (RIM-161 Standard SM-3). Faza terminală presupune reintrarea focoaselor (vehicule de reintrare) în atmosferă cu viteze hipersonice. Ultima fază durează 2 minute.
Traiectoria unui ICBM Minuteman III Sursa foto: wikipedia
Rachetele de croaziera, sunt în esență niște avioane fără pilot, kamikaze. Sunt propulsate de motoare turbo-jet, au aripi și, de obicei, zboară la altitudini foarte reduse, uneori de doar câțiva metri. Pot fi lansate de pe diferite platforme, terestre, navale sau aeriene. Prin urmare, prin comparație cu rachetele balistice, traiectoria rachetelor de croazieră este plată, vitezele sunt în general subsonice sau înalt subsonice, cel mult supersonice, iar raza lor de acțiune poate fi de la câțiva zeci de kilometri până la circa 2000 km.
Pentru navigație, rachetele de croazieră folosesc sisteme inerțiale, sisteme de urmărire a reliefului (TERCOM), hărțile fiind încărcate în prealabil în computerul de bord, GPS precum și alte sisteme din ce în ce mai sofisticate.
Rachete hipersonice
Dintru început voi menționa că avioanele pilotate capabile de zbor hipersonic nu fac obiectul acestui articol. Și, întrucât am stabilit deja că rachetele balistice (traiectorie balistică, manevrabilitate redusă sau deloc) nu intră în categoria armelor hipersonice deși viteza atinsă le-ar recomanda ca atare, se conturează două tipuri de astfel de arme (rachete): racheta hipersonică de croazieră cu toate caracteristicile menționate mai sus la rachetele de croazieră (îndeosebi zborul atmosferic, manevrabilitatea crescută și viteza hipersonică) și planoarele hipersonice (hypersonic boost glide vehicle).
Diferența principală dintre cele două este că racheta de croazieră hipersonică este propulsată pe toată durata zborului de un aeroreactor (scramjet) în timp ce planoarele sunt un hibrid: sunt accelerate la viteze hipersonice cu ajutorul unui motor rachetă – booster până la o altitudine predeterminată după care planorul se separă și planează până la țintă fiind totodată capabil să manevreze așa cum un vehicul de reintrare specific ICBM-urilor n-o poate face.
Așadar, în prima etapă avem un zbor propulsat până la o altitudine predeterminată, apoi planorul se separă, reduce altitudinea și manevrează până la țintă. Evident, cu cât manevrează mai mult, cu atât pierde mai multă energie (a se citi viteză), nu de alta, dar să ne aducem aminte că așa reușea să aterizeze cel mai tehnologizat planor din lume, naveta spațială americană.
Pentru claritate, în poza de mai jos putem vedea o comparație între traiectoriile unei rachete balistice, ale unui planor hipersonic și ale unei rachete hipersonice de croazieră. Provocarea este, evident, în cazul ultimei.
Provocările tehnice ale rachetelor hipersonice de croazieră
În mod cert, planorul este o scurtătură în obținerea armei hipersonice și, deși prezintă certe avantaje în fața unei rachete balistice clasice, este departe de provocările și de avantajele furnizate de o rachetă de croazieră capabilă să susțină viteza hipersonică pe toată durata zborului.
Principalele provocări tehnice au fost identificate la nivelul aerodinamicii, propulsiei, materialelor termorezistente dar și în ceea ce privește senzorii și comunicațiile.
Aerodinamica
Ei bine, mecanica fluidelor nu este nici pe departe punctul meu forte. Ceea ce înțeleg eu, este că pentru o rachetă de croazieră care funcționează în regim hipersonic apar o serie de provocări pe care nu le-am mai întâlnit în cazul vehiculelor hipersonice construite și exploatate până acum.
Avem un corp care zboară prin atmosferă (sub 90 Km altitudine, probabil undeva între 20 şi 30 km altitudine) pe distanțe mari (1000 – 2000 km) propulsat permanent de un motor aeroreactor – scramjet și care mai trebuie să fie și capabil să manevreze. Sună simplu, nu? Ei bine, se pare că nu e! De aici și apetența pentru „scurtături” de genul planoarelor hipersonice unde există deja ceva mai multă experiență de proiectare și utilizare.
Fără a intra în detalii pe care nu le pot explica, la viteze hipersonice rezistența aerodinamică, turbulențele și temperaturile generate sunt extreme, la limita tehnologiei actuale.
X-43A – HyperX Sursa: wikipedia
În principiu, rachetele de croazieră capabile să dezvolte viteze hipersonice folosesc motoare scramjet care, prin comparație cu un turbojet, sunt mai simple din punct de vedere constructiv (mai puține componente în mișcare) dar au particularitățile lor: pentru a putea fi pornite trebuie să fie propulsate de un motor rachetă până la o altitudine de circa 19 – 20000 m iar fluxul de aer intrat în admisie trebuie să atingă viteze de circa 4,5 Mach. Odată pornit, un motor scramjet are nevoie de un bun management al căldurii și de stabilitate aerodinamică. Dacă vreți mai multe detalii despre cum funcționează un astfel de motor, vă explică NASA mai bine aici.
Etapele pornirii unui motor scramjet prin curtoazia NASA
O problemă majoră este cea dată de temperaturile imense generate de viteza hipersonică prin atmosferă. În plus, rachetele hipersonice cu aeroreactor necesită anumite forme specifice, extrem de ascuțite care, la rândul lor, ridică alte probleme legate de protecția împotriva temperaturilor extreme. Pe lângă materialele termorezistente, proiectanții și-au concentrat atenția și asupra unor soluții suplimentare așa cum sunt scuturile termice (pe principiul Space Shuttle) sau structurile care dispun de un sistem de răcire intern, integrat în structură.
Având în vedere că zborul hipersonic generează temperaturi care depășesc limita de topire a majorității materialelor pe care le cunoaștem, cercetătorii și-au îndreptat atenția spre tot felul de compozite carbon-carbon sau carbon-ceramice. Zona materialelor vizată de specialiști cuprinde carbura de siliciu (SiC), alumina (Al2O3), nitrura de siliciu (SiN) sau ceramici pe bază de B4C dar nu se limitează la acestea.
Senzorii și comunicațiile reprezintă o altă problemă atunci când vrei să transmiți date către racheta aflată în zbor hipersonic cum ar fi alocarea unei alte ținte, ca să dau doar un scurt exemplu. Electronica instalată trebuie să depășească problemele temperaturilor ridicate, ale vibrațiilor extreme ca să nu mai vorbim de chestiile SF (pentru mine) gen presiuni sau nori de plasmă generați de viteza hipersonică.
Norul de plasmă creat de naveta spațială Endeavour la reintrarea în atmosferă Sursa: ESA
Provocările au fost evidențiate de diverși cercetători în domeniu și se referă la:
- computerul de misiune care asigură răspunsul la comenzi, adaptarea la condițiile înconjurătoare de mediu și controlează toate subsistemele necesare îndeplinirii misiunii;
- computerul de zbor care se asigură că racheta ajunge unde trebuie fără a deveni „praf de stele” (sorry, fan Asimov);
- procesarea informațiilor primite de la senzorii rachetei, ei înşişi o problemă în sine; și
- asigurarea comunicațiilor cu rețelele de comandă și control.
Toate cele de mai sus complică foarte mult „viața” unei rachete de croazieră capabilă de zbor în regim hipersonic și necesită o cercetare și testare susținute pentru rezolvarea lor.
Reintrarea navetei spațiale, vedere din cockpit Sursa: wikipedia
Principalii dezvoltatori de rachete hipersonice
Cei mai „entuziaști” dezvoltatori ai armelor hipersonice sunt China și Rusia, urmate de SUA și India. Preocupările în materie sunt foarte bine sintetizate în imaginea de mai jos:
O scurtă concluzie
Rachetele hipersonice pot fi amenințări viabile atât timp cât principalele provocări tehnologice specifice zborului propulsat hipersonic își găsesc soluții. Sunt arme ofensive, menite să comprime timpul până la țintă și să scadă capacitatea de reacție a inamicului vizat. Însă nu vom vedea prea curând astfel de arme zburând la rasul solului și manevrând ca un avion sau ca o rachetă de croazieră subsonică.
Avem deja anunțuri privind dezvoltarea unor radare capabile să le detecteze și să le urmărească (în ciuda norului de plasmă care ecranează) și probabil că vom vedea în curând și rețele de sateliți special configurate în acest scop fiind vizate rachetele cu rază lungă de acțiune. În ciuda vitezelor foarte mari cu care vin, vin sus (20 – 30 km altitudine sau chiar mai mult), pentru că altfel n-ar putea pur și simplu funcționa. În timp, vor fi dezvoltați și configurați și vectorii necesari interceptării lor, e clar că se lucrează la asta.
Fiind un domeniu nou, informațiile publice sunt sărace. Știm că rușii au testat Kinzal la Marea Neagră împotriva unei ținte terestre. Kinzal (dezvoltată pare-se din Iskander) este lansată de Mig-31 pentru a-i mări raza de acțiune. Pare să aibă o traiectorie semi-balistică fiind propulsată de un motor rachetă cu combustibil solid. Atât rușii cât și chinezii pretind performanțe spectaculoase pentru rachetele lor deși primii d-abia au reușit să producă din nou niște „banale” turbine navale iar ceilalți nu sunt încă în stare să realizeze un turbojet propriu pentru avioanele lor de vânătoare.
Oricum, eterna luptă dintre sabie și scut continuă!
Curiosul caz al rachetelor Iskander E
Multe controverse au apărut în urma afirmațiilor publice făcute de președintele Armeniei cu privire la eficacitatea rachetelor Iskander E (variantele de export, cu performanțe inferioare celor produse pentru armata Rusiei). Acesta a afirmat că Iskander sunt pur și simplu niște arme de anii ’80, ineficiente și incapabile să-și îndeplinească misiunile.
Rușii s-au grăbit să-l contrazică făcând publice niște imagini care demonstrează eficacitatea rachetelor Iskander. În graba lor, se pare că rușii ar fi confirmat distrugerea unui spital din Siria cu rachete Iskander în 2016. Pentru video, apăsați aici.
Iskander M (versiunea pentru armata Rusiei) este o rachetă propulsată de un motor cu combustibil solid pe o traiectorie semi-balistică care nu depășește altitudinea de 50 km. Este creditată cu o rază de acțiune de circa 500 km (deși se pare că aceasta poate fi extinsă cu relativă ușurință) și atinge viteze hipersonice. Rușii susțin că racheta este capabilă de manevre violente în faza terminală a zborului și că sistemul optic de vizare și identificare a țintei crește foarte mult probabilitatea de lovire a țintei. Se lucrează la implementarea ghidării cu ajutorul GLONASS și îmbunătățirea comunicațiilor astfel încât racheta să poată fi ghidată cu ajutorul mijloacelor de cercetare precum avioanele de tip AWACS sau UAS-uri aflate în proximitatea țintei.
Studii recente efectuate de germani în cadrul programului TLVS au arătat ca, în stratul aerian inferior, probabilitatea de a lovi direct ținta (direct hit) cu peste 85% și de a o distruge (kill probability) cu 95% este realistă în cazul în care se trag două rachete PAC-3 MSE (Missile Segment Enhancement) ghidate de radarele defunctului sistem MEADS. Vizate erau rachetele balistice gen Iskander. Mai multe detalii aici.
Dacă Iskander M manavrează așa cum susțin rușii, atunci ar putea poate să fie considerată ca făcând parte din zorii epocii rachetelor hipersonice. Mulți comentatori mai avizați decât mine au contrazis însă afirmațiile rușilor referitoare la posibilitatea de a manevra violent. În final, Iskander M, ar putea fi doar altă rachetă balistică tactică.
Nicolae
Recomandări de lectură:
Articol RoMilitary de Grigore Leoveanu
The Drive – The War Zone – AGM 183
P.S. Fiind un domeniu controversat, de actualitate, unde chinezii și rușii par să fie mai avansați dacă stăm și judecăm declarațiile lor oficiale, îi invit la reținere și bun-simț pe cei care doresc să comenteze.