Δημήτριος-Περικλής Γιαννούλης
Δρ Πανεπιστημίου Πατρών, Μηχανικός ΣΜΑ
Τα πολυηχητικά όπλα (hypersonic weapons) είναι ένα νέο είδος επιθετικών βλημάτων, τα οποία είναι ιδιαίτερα γρήγορα και εξαιρετικά ευέλικτα. Αυτά τα προηγμένα όπλα μπορούν να αναπτύξουν ταχύτητες πάνω από 5 Mach, διανύοντας μεγάλες αποστάσεις, εκτοξευόμενα από μια ευρεία γκάμα πλατφορμών στον αέρα, τη γη αλλά και τη θάλασσα. Παραδοσιακές πυραυλικές απειλές όπως οι βαλλιστικοί και οι πύραυλοι cruise, έχουν εγγενή τρωτά σημεία. Για παράδειγμα, οι βαλλιστικοί πύραυλοι αναπτύσσουν εξαιρετικά υψηλές ταχύτητες αλλά έχουν πολύ περιορισμένη ευελιξία μέχρι την τελική φάση της πτήσης, ενώ οι πύραυλοι cruise αναπτύσσουν συγκριτικά χαμηλότερες ταχύτητες αλλά διαθέτουν υψηλή ευελιξία. Αντίθετα, τα πολυηχητικά όπλα διαθέτουν τα καλύτερα χαρακτηριστικά του καθενός και μόνο ελάχιστα τρωτά σημεία, θέτουν όμως μεγάλες προκλήσεις σε επίπεδο σχεδιασμού, λόγω των ακραίων συνθηκών που δημιουργούνται κατά την πτήση τους.
Γενική Περιγραφή
Υπάρχουν δύο κύριοι τύποι πολυηχητικών όπλων:
- Τα Hypersonic Glide Vehicles (HGV) και
- οι Hypersonic Cruise Missiles (HCM).
Αυτά τα όπλα είναι σε θέση να πραγματοποιήσουν συμβατικές αλλά και πυρηνικές επιθέσεις και είναι εξαιρετικά δύσκολο να εντοπιστούν και να αντιμετωπιστούν, δεδομένου ότι τα σημερινά συστήματα ανίχνευσης χάνουν το ίχνος τους μετά την εκτόξευση.
Τα Hypersonic Glide Vehicles (HGV) – πολυηχητικά οχήματα αερολίσθησης – χρησιμοποιούν πυραυλοκινητήρα για να αναπτύξουν πολυηχητική ταχύτητα, στη συνέχεια τον απορρίπτουν και συνεχίζουν την πορεία τους χωρίς περαιτέρω πρόωση. Συνήθως φτάνουν σε ύψος 25 έως 62 μίλια και στη συνέχεια ακολουθούν πορεία στην ανώτερη ατμόσφαιρα. Καθώς η λειτουργία τους ως βαλλιστικά όπλα διαρκεί μικρό χρονικό διάστημα, η μη προβλέψιμη πορεία πτήσης τους, εξασφαλίζει ότι μπορούν να απειλήσουν δυνητικούς στόχους σε περιοχές μεγάλης έκτασης. Τα σημερινά αντιπυραυλικά συστήματα δεν είναι σε θέση να εντοπίζουν αυτά τα όπλα σε αυτή τη φάση της πτήσης τους ενώ τα αντιαεροπορικά και αντιπυραυλικά συστήματα τοπικής άμυνας, δε μπορούν να ανταπεξέλθουν στο συνδυασμό υψηλής ταχύτητας και ευελιξίας των HGV, καθιστώντας εξαιρετικά δύσκολη την αντιμετώπισή τους.
Οι Hypersonic Cruise Missiles (HCM) – πολυηχητικοί πύραυλοι cruise – χρησιμοποιούν, συνήθως, πυραυλοκινητήρα για να αναπτύξουν πολυηχητική ταχύτητα και στη συνέχεια, προωθούνται με τη βοήθεια κινητήρα scramjet. Οι HCM εκτοξεύονται από συστήματα εδάφους, αεροσκάφη ή πλοία και πετούν σε ύψος 12 έως 19 μιλίων. Παρόλο που βρίσκονται μέσα στην εμβέλεια των σύγχρονων συστημάτων αεράμυνας και των βλημάτων επιφανείας – αέρος, η ταχύτητα και η ευελιξία τους τα καθιστούν ιδιαίτερα δύσκολους στόχους.
Τα πολυηχητικά όπλα δεν ακολουθούν τις τυπικές παραβολικές τροχιές, που κανονικά θα μπορούσαν να προβλεφθούν. Πετούν σε χαμηλότερο υψόμετρο συγκριτικά με τους βαλλιστικούς πυραύλους και με ελάχιστη ταχύτητα 5 Mach, μειώνοντας έτσι σημαντικά την πιθανότητα έγκαιρης ανίχνευσης. Ο συνδυασμός απρόβλεπτης τροχιάς πτήσης και πολύ καθυστερημένης ανίχνευσης από τα ραντάρ, συνεπάγεται πολύ μειωμένους χρόνους αντίδρασης και απόκρισης.
Θερμική Προστασία – Αεροδυναμική
Καθώς ένα πολυηχητικό αερόχημα ταξιδεύει ολοένα και πιο γρήγορα, ο αέρας γύρω από το ρύγχος, τα χείλη προσβολής των πτερύγων και τις εισαγωγές αέρα, θερμαίνεται σε θερμοκρασίες υψηλότερες ακόμα και από την επιφάνεια του Ήλιου (περίπου 5.800 K). Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, τα μόρια του αέρα μπορούν να διασπαστούν και να ιονιστούν. Τα θερμά άτομα και τα ιόντα που προκύπτουν, είναι επιρρεπή σε χημικές αντιδράσεις με οτιδήποτε, συμπεριλαμβανομένης της επιφάνειας του οχήματος που περιβάλλουν.
Η τριβή αλλά και η απώλεια ενέργειας με τη μορφή θερμότητας μέσω των κρουστικών κυμάτων, θερμαίνουν τον αέρα γύρω από το αερόχημα, σε σημείο που η εξωτερική του επιφάνεια αρχίζει να αλλοιώνεται, να διαβρώνεται και τελικά να αποφλοιώνεται. Αυτό δεν είναι το μόνο πρόβλημα που συναντάται σε πολύ υψηλές υπερηχητικές ταχύτητες, ενσωματώνει, ωστόσο, τη μεγάλη πρόκληση της πολυηχητικής πτήσης: τη σχεδίαση ενός αεροχήματος ικανού να επιβιώσει σε ένα περιβάλλον τόσο σκληρό, όπου μπορεί να το διαλύσει, κυριολεκτικά, κατά τη διάρκεια της πτήσης.
Λόγω αυτών των υψηλών θερμοκρασιών, όλα τα πολυηχητικά οχήματα είναι εξοπλισμένα με συστήματα θερμικής προστασίας. Αυτά τα ειδικά υλικά και οι επιστρώσεις, προστατεύουν τα οχήματα από υψηλές θερμοκρασίες και περιλαμβάνουν θερμικά πλακίδια πυριτίου (διαστημικό λεωφορείο), κράματα τιτανίου (X-15) ή σύνθετα υλικά άνθρακα-άνθρακα (X-43).
Επιπλέον, αξίζει να σημειωθεί ότι, καθώς η οπισθέλκουσα σε ένα αερόχημα αυξάνεται αναλογικά με το τετράγωνο της ταχύτητάς του, συγκριτικά με ένα σώμα που κινείται με ταχύτητα που αντιστοιχεί σε 1 Mach, έχουμε 25 φορές μεγαλύτερη οπισθέλκουσα όταν η ταχύτητά του φτάσει τα 5 Mach και 400 φορές μεγαλύτερη, όταν βρεθεί στην περιοχή των 20 Mach.
Ταυτόχρονα, όπως κάθε άλλο αερόχημα, ένα πολυηχητικό όχημα πρέπει να δημιουργήσει άντωση, η οποία είναι επίσης ανάλογη με το τετράγωνο της ταχύτητας. Ο λόγος της άντωσης (L) προς την οπισθέλκουσα (D), είναι ένας βασικός δείκτης της απόδοσης ενός οχήματος αερολίσθησης.
Οι επιτεύξιμες τιμές L/D για πολυηχητικά οχήματα είναι αρκετά χαμηλότερες από τις αντίστοιχες για τα συμβατικά αεροσκάφη. Για υποηχητικά αεροσκάφη, η αναλογία μπορεί να είναι 15 ή μεγαλύτερη. Ωστόσο, μετά από δεκαετίες έρευνας και ανάπτυξης, τα πολυηχητικά όπλα των ΗΠΑ που δοκιμάστηκαν την τελευταία δεκαετία φαίνεται να έχουν τιμές L/D μικρότερες από 3. Τέτοιες χαμηλές αναλογίες L/D σημαίνουν χαμηλή άντωση και υψηλή οπισθέλκουσα, γεγονός που περιορίζει την ταχύτητα και την εμβέλεια ενός πολυηχητικού οχήματος αερολίσθησης, μειώνει την ικανότητα ελιγμών του και αυξάνει την υπερθέρμανση της επιφάνειας, προβλήματα για τα οποία γίνονται εργώδεις προσπάθειες ώστε να αμβλυνθούν.
Προωθητικό Σύστημα
Ένας επιπλέον επιβαρυντικός παράγοντας είναι η απώλεια ενέργειας του αεροχήματος, καθώς «εκτοπίζει» τα μόρια του αέρα που βρίσκονται εμπρός του και περιφερειακά και η οποία αυξάνεται αναλογικά με τον κύβο της ταχύτητας. Έτσι, ένα αερόχημα που πετά με 5 Mach θα χάσει ενέργεια 125 φορές πιο γρήγορα από ένα αντίστοιχο με 1 Mach ενώ ένα με ταχύτητα 20 Mach, θα χάσει ενέργεια 8000 φορές πιο γρήγορα.
Με σκοπό την κάλυψη των απωλειών αυτών, όταν υπάρχει απαίτηση για μεγάλη διάρκεια πτήσης, επιλέγεται χρήση συστημάτων αερόβιας πρόωσης, συγκεκριμένα κινητήρες scramjet, γεγονός που περιπλέκει ακόμη περισσότερο την κατάσταση. Με βάση την αρχή λειτουργίας τους, αυτοί οι κινητήρες είναι πολύ απλοί: χωρίς κινούμενα μέρη, ο αέρας ωθείται μέσω ενός αγωγού σε υπερηχητικές ταχύτητες, όπου το καύσιμο εγχέεται, αναφλέγεται και τα προϊόντα της καύσης διαστέλλονται για να δημιουργήσουν ώση. Ωστόσο, η πολύπλοκη δομή των κρουστικών κυμάτων που δημιουργούνται στο εσωτερικό και η αλληλεπίδρασή τους με το οριακό στρώμα της ροής, σε συνδυασμό με την υπερηχητική καύση, δημιουργούν ιδιαίτερα υψηλές απαιτήσεις ψύξης.
Οι ποσοτικές μετρήσεις και η ανάλυση του τρόπου με τον οποίο δημιουργούνται μια σειρά κρουστικών κυμάτων στο εσωτερικό, είναι πολύ σημαντικά στοιχεία για τους κινητήρες scramjet. Τα τελευταία χρόνια, διερευνώνται μέθοδοι κατασκευής διάφανων μοντέλων υπό κλίμακα, με εισαγωγές αέρα και εσωτερικούς αγωγούς, ώστε με παράλληλη χρήση τεχνικών απεικόνισης να αποκαλυφθούν λεπτομέρειες της σχηματιζόμενης δομής κρουστικών κυμάτων στο εσωτερικό τους. Τα μοντέλα αυτά, διατηρούν το σχήμα τους για μερικά χιλιοστά του δευτερολέπτου σε συνθήκες πολυηχητικής πτήσης, επιτρέποντας την εμφάνιση των σημείων δημιουργίας και αλληλεπίδρασης των κρουστικών κυμάτων.
Ελιγμοί
Για να αλλάξει κατεύθυνση ένα πολυηχητικό όχημα αερολίσθησης, πρέπει να χρησιμοποιήσει την παραγόμενη άντωση για να προσδώσει μια επιπλέον οριζόντια ταχύτητα, η οποία μπορεί να είναι επίσης πολυηχητική. Για παράδειγμα, για να στρέψει κατά 30 μοίρες ένα όχημα που κινείται με 15 Mach, πρέπει να παράγει οριζόντια ταχύτητα 7.5 Mach, διατηρώντας ταυτόχρονα αρκετή άντωση προς αποφυγή μεγάλης απώλειας ύψους. Τέτοιοι ελιγμοί μπορεί να κοστίζουν σημαντικά σε ταχύτητα και εμβέλεια.
Για να δημιουργήσει αυτή την επιπλέον άντωση που απαιτείται για την αλλαγή κατεύθυνσης, το όχημα εκτελεί βύθιση σε χαμηλότερο υψόμετρο για να αξιοποιήσει την αυξημένη πυκνότητα του αέρα, δημιουργώντας μεγαλύτερη αεροδυναμική ώθηση. Εκεί στρέφει, πριν επιστρέψει σε μεγαλύτερο υψόμετρο όπου υφίσταται μικρότερη οπισθέλκουσα, ώστε να συνεχίσει την πτήση του. Η μετάβαση σε χαμηλότερα υψόμετρα, μειώνει τον χρόνο που χρειάζεται για να στρέψει αλλά αυξάνει την παραγόμενη οπισθέλκουσα. Για παράδειγμα, στα 15 Mach, αν πετούσε σε ύψος περίπου 40 χιλιομέτρων και εκτελούσε βύθιση κατά περίπου 2.5 χιλιόμετρα, τότε η στροφή κατά 30 μοίρες θα χρειαζόταν περίπου επτά λεπτά, κατά τη διάρκεια των οποίων η πορεία του θα ήταν κατά μήκος ενός τεράστιου τόξου, με ακτίνα περίπου 4000 χιλιομέτρων. Η επιπλέον οπισθέλκουσα που προκύπτει από την πτήση σε πυκνότερο αέρα, μειώνει την ταχύτητα του αεροχήματος κατά περίπου 1.3 Mach, με αποτέλεσμα να χάσει περίπου 450 χιλιόμετρα εμβέλειας από τα 3000 χιλιόμετρα που διαφορετικά θα είχε διανύσει.
Επίλογος
Συμπερασματικά, είναι εμφανές ότι για την επίτευξη των απαιτούμενων επιδόσεων σε συνθήκες πολυηχητικής πτήσης, απαιτείται λεπτομερής κατανόηση του θερμικού περιβάλλοντος στο οποίο καλούνται να ανταπεξέλθουν τα υλικά, καθώς επίσης και πλήρης κατανόηση της αποτελεσματικότητας των κινητήρων scramjet.
Είναι κρίσιμης σημασίας η απαίτηση για ιδιαίτερα αυξημένη αντοχή των επιφανειών και της δομής, σε ακραίες αεροδυναμικές φορτίσεις και εξωτερικές θερμοκρασίες, με παράλληλη εξασφάλιση κανονικών συνθηκών λειτουργίας για τις εσωτερικές δομές και τα ηλεκτρονικά. Τα συστήματα προστασίας υφίστανται τόσο υψηλές αεροδυναμικές φορτίσεις και θερμικές διαστολές, ώστε να αλλάζουν το σχήμα του αεροσκάφους κατά τη διάρκεια της πτήσης. Τα συστήματα πρόωσης πρέπει να ανταπεξέρχονται σε ακραίες συνθήκες πτήσης, διατηρώντας παράλληλα σταθερές συνθήκες καύσης. Τέλος, τα συστήματα επικοινωνίας και ναυτιλίας πρέπει να λειτουργούν αποτελεσματικά, ακόμη και όταν δημιουργείται ένας νοητός «θόλος» φορτισμένων σωματιδίων γύρω από το όχημα κατά την πτήση. Όλα αυτά τα ζητήματα επηρεάζουν και περιπλέκουν τον σχεδιασμό ενός τέτοιου αεροχήματος.
Πηγές
