Jak na świecie rozwija się napęd hipersoniczny? Technologia hiperdźwiękowa i jej zastosowania

W obiekty wykorzystujące napęd hipersoniczny inwestują największe światowe mocarstwa. Sprawdź, jakich postępów dokonano na tym polu w ostatnich latach i jakie sposoby wykorzystania napędu hipersonicznego będzie można zaobserwować w przyszłości.

Czym jest napęd hipersoniczny?

Napęd hipersoniczny to moduł pozwalający danemu obiektowi rozwinąć prędkość przewyższającą wartość Mach 5. Oznacza to, że obiekt taki porusza się w danym środowisku ponad pięciokrotnie szybciej niż dźwięk. Zamiary konstruowania czegoś takiego, jak napęd hipersoniczny pojawiły się już w pierwszej połowie ubiegłego wieku, jednak rzeczywisty rozwój tej technologii nastąpił dopiero w latach 80. Dziś projekty z jej wykorzystaniem realizowane są przez ośrodki badawcze i zbrojeniowe wszystkich światowych mocarstw, w tym w USA, Rosji i Chinach.

Zobacz też: Pierwszy lot człowieka w kosmos – kamień milowy w historii ludzkości. Przebieg przygotowań i lotu

Napęd hipersoniczny – współczesne zastosowania

Napęd hipersoniczny daje obiektowi możliwość przemieszczania się z ogromną prędkością. Z tego też powodu żywe zainteresowanie tym tematem utrzymują wszystkie te branże, dla których szybkość lotu ma szczególnie ważne znaczenie. Są to przede wszystkim największe światowe koncerny zbrojeniowe czy ośrodki przemysłu kosmicznego i lotniczego. Obecnie broń hipersoniczną starają się pozyskać również armie wszystkich największych graczy areny międzynarodowej. Napędowi hipersonicznemu przyglądają się aktualnie również największe ośrodki badawcze – naukowcy dostrzegają w nim przede wszystkim szansę na upowszechnienie lotów kosmicznych oraz obniżenie kosztów tych operacji.

Napęd hipersoniczny to dla lotnictwa szansa, która może oznaczać prawdziwy przełom. Technologiami hipersonicznymi interesują się przede wszystkim podmioty związane z lotnictwem wojskowym, jednak niektóre programy dotyczą także obiektów o przeznaczeniu cywilnym. Postęp w udoskonalaniu napędów tego typu mógłby na przykład ułatwić wynoszenie samolotów nad atmosferę w celu przeprowadzania bojowych lub komercyjnych międzykontynentalnych lotów. Prace w tym zakresie mogłyby także przyczynić się do rozwoju samolotów kosmicznych z napędem hipersonicznym, wykonujących loty na orbitę okołoziemską z ogromną prędkością.

Najdłuższy lot hipersoniczny w historii trwał 210 sekund przy prędkości Mach 5 i wykonał go samolot Boeing X-51A Waverider. Tyruł najszybszego hipersonicznego samolotu na świecie przypadł zaś eksperymentalnemu X-43, któremu udało się rozwinąć maksymalną prędkość równą Mach 9,4.

Projekt Stratofly – stratosferyczne loty hiperdźwiękowe już w przyszłej dekadzie?

W ramach programu Stratofly naukowcy z Niemieckiej Agencji Kosmicznej we współpracy ze specjalistami z europejskich uczelni poszukują obecnie sposobu na przeprowadzanie wydajnych, szybkich i ekologicznych lotów stratosferycznych. Do 2035 roku zamierzają oni stworzyć wykorzystujący technologię napędu hipersonicznego samolot H2020-Stratofly. Naukowcy chcą, by w wysokiej warstwie atmosfery obiekt osiągnął prędkość 6 tys. km/h.

Z napędem hipersonicznym do gwiazd

Napęd hipersoniczny to też szansa na szybsze, łatwiejsze i przede wszystkim tańsze loty kosmiczne. By rakieta mogła wzbić się na orbitę, musi ona zostać rozpędzona do prędkości około Mach 30. Osiągnięcie takiej prędkości nie jest problemem przy użyciu silnika rakietowego, jednak rozwiązanie to wiąże się z koniecznością wyposażenia promu nie tylko w zbiornik paliwowy, lecz także w ogromne zapasy utleniacza. Transportowany w ten sposób tlen stanowił znaczną większość masy materiałów pędnych. Zastosowanie napędu hipersonicznego pozwoliłoby na odciążenie całej konstrukcji, gdyż napęd ten z powodzeniem czerpałby tlen z atmosfery. Dzięki temu prom może zabierać w podróż wyłącznie taką ilość tlenu, która będzie mu potrzebna, gdy już opuści atmosferę.

Broń hipersoniczna – co to jest i co oznacza dla współczesnego pola walki?

Zaawansowane napędy hipersoniczne w ostatnich latach stały się przedmiotem zainteresowania wszystkich największych sił militarnych na świecie. Mocarstwa aktywnie przeprowadzają próby nowych rakiet oraz kreślą plany uzbrojenia przeciwko potencjalnej agresji wroga przy użyciu tej samej technologii. Hipersoniczna broń ma im także zapewnić stabilną, bezpieczną pozycję w regionie, odstraszając potencjalnych napastników.

Pociski hipersoniczne poruszają się z zawrotną prędkością. Użyte, mogłyby momentalnie znaleźć się w pobliżu celu. Hiperdźwiękowe rakiety mogą manewrować podczas lotu, co obniża przewidywalność trajektorii oraz poprawia celność. Pociski poruszające się z prędkością znacznie przewyższającą pięciokrotność prędkości dźwięku to ogromne wyzwanie dla systemów obrony przeciwrakietowej. Niektóre z koncepcji pocisków tego typu zakładają poruszanie się ich po bardzo niskim torze lotu, co oznacza słabszą wykrywalność przez radary i dodatkowo może ograniczyć czas na reakcję systemów obrony. Możliwość zmian trajektorii w połączeniu z ogromną prędkością czyni pociski hiperdźwiękowe niezwykle trudnymi do przechwycenia.

Niektórzy eksperci podejrzewają, że obecność broni hipersonicznej na współczesnym polu walki może zupełnie zaburzyć równowagę strategiczną między głównymi światowymi potęgami, ponieważ możliwość tak szybkiego unieszkodliwienia systemów obrony przeciwnika mogłaby stanowić zachętę do zadania pierwszego ciosu. Prędkość, z jaką poruszają się te pociski, wymagałaby też utrzymania systemów obrony w stanie wyższej gotowości. Rakiety hipersoniczne dawałyby obronie tak krótki czas na reakcję, że mogłoby dochodzić do fatalnych w skutkach nieporozumień.

Silnik strumieniowy scramjet – co to takiego?

Scramjet to silnik strumieniowy z naddźwiękową komorą spalania. Dzięki tej modyfikacji doskonale sprawdza się on w prędkościach hipersonicznych. Współczesne rakiety hipersoniczne w ogólności pracują na bazie właśnie tego silnika. Jednak by scramjet mógł działać, konieczne jest jego rozpędzenie do prędkości wynoszącej minimum Mach 5, dlatego wykorzystujące go obiekty muszą być wyposażone także w inny silnik, który najpierw pomoże scramjetowi osiągnąć prędkość hipersoniczną. Scramjet, inaczej niż zwykły silnik rakietowy, nie potrzebuje własnego źródła tlenu, ponieważ substancję tę pozyskuje z atmosfery. Nazwa scramjet jest pochodną trzech słów, „supersonic combustion” (ang. „naddźwiękowe spalanie”) oraz „ramjet” (co oznacza silnik strumieniowy w wersji podstawowej).

Jakie problemy może napotkać obiekt, który osiągnął prędkość hiperdźwiękową?

Twórcy konstrukcji przeznaczonych do lotów hipersonicznych nie mają łatwego zadania. Problemem jest nie tylko utrzymanie odpowiedniej prędkości, lecz także ochrona obiektu przed uszkodzeniami, na które narażają go te niestandardowe warunki lotu, takie jak temperatury rzędu 2,5 tys. st. C. Z problemem oddziaływania termicznego w przypadku napędu hipersonicznego radzą sobie specjalne osłony ablacyjne, uodparniające konstrukcję na wysokie obciążenia cieplne. Konstrukcje mające osiągnąć prędkość hipersoniczną muszą być dopracowane w każdym calu i składać się możliwie z niewielkiej ilości komponentów. Istotnym problemem jest jednak przede wszystkim rozwinięcie prędkości hipersonicznej – by obiekt wykorzystujący technologię scramjet ją osiągnął, potrzebuje do tego drugiego, zwykłego silnika.

Trudności związane z projektowaniem broni hipersonicznej dotyczą między innymi tworzenia systemów naprowadzania, które mogłyby sprawnie działać przy tak ogromnych prędkościach. Lot pocisków z tym napędem nie jest także jednostajny, jeśli chodzi o prędkość – w końcowej fazie przemieszczania się, tuż przed osiągnięciem celu, zwalniają one, co w tym momencie czyni je bardziej podatnymi na zniszczenie przez system obrony przeciwrakietowej.

Rozwój technologii hipersonicznych w USA

To, jak duże znaczenie ma obecnie dla USA rozwijanie technologii broni hipersonicznej, zdaje się potwierdzać projekt budżetu obronnego na 2022 rok. Administracja Biden-Harris ma zamiar przeznaczyć na ten cel aż 3,8 miliarda dolarów. Amerykanie ograniczają też budżet na zakup gotowych już konstrukcji na rzecz rozwijania własnych programów, w tym tych dotyczących napędu hipersonicznego. Decyzja taka może być spowodowana postępem, jaki zaszedł na tym polu w Rosji i Chinach – USA będzie więc musiało próbować dorównać rywalom.

Pociski hipersoniczne w amerykańskiej armii

W kwestii broni hipersonicznych Amerykanie zdają się przykładać szczególną wagę do zasięgu rażenia rozwijanych obiektów. Wyjątkowo dużymi możliwościami w tym zakresie może się poszczycić pocisk hipersoniczny LRHW (Long Range Hypersonic Weapon). Obiekt ten ma mieć możliwości dosięgania celów oddalonych nawet o ponad 1725 mil, czyli 2775 kilometrów oraz poruszać z prędkością ponad Mach 17. Właściwe testy obiektu mają być przeprowadzane od 2023 roku. Eksperci spekulują, że taki zasięg mógłby pomóc Stanom Zjednoczonym zyskać znaczną przewagę nad rywalami, jeśli USA zdecydowałoby się rozmieścić je na terytoriach sojuszniczych państw.

Pocisk LRHW jest aktualnie rozwijany przez koncern Lockheed Martin, współpracujący w pracach nad modułem hipersonicznym z przedsiębiorstwami Northop Grumman i Dynetics oraz instytutem naukowo-badawczym Sandia National Laboratories. Równocześnie do LRHW doskonalony jest także program CPS (Conventional Prompt Strike). Ma on pozwolić marynarce amerykańskiej otrzymać rakiety z napędem hipersonicznym, które z nie tylko powodzeniem unieszkodliwiać będą pożądane cele, lecz także wyposażone będą w systemy samoobrony skutecznie radzące sobie z przeciwrakietową obroną przeciwników.

W kwestii hipersonicznej broni Siły Powietrzne Stanów Zjednoczonych nie szczędzą funduszy, co zdaje się potwierdzać niedawno złożone u koncernu Lockheed Martin zamówienie, obejmujące 12 rakiet AGM-183A ARRW (Air-launched Rapid Response Weapon). Zasięg rażenia tych pocisków ma wynosić około 1600 kilometrów. Rakiety mają operować na wysokościach z zakresu 25-61 kilometrów oraz osiągać prędkość bliską 25 tys. km/h. Wciąż muszą jednak poczekać na udany test – pocisk miał zostać poddany próbie w  kwietniu 2021 roku, jednak z niewiadomych przyczyn nie udało się go odpalić. Funkcjonalny prototyp obiektu najprawdopodobniej będzie dostępny jeszcze w 2022 roku, zaś całkowite zakończenie prac i rozpoczęcie produkcji seryjnej ma nastąpić jeszcze w pierwszej połowie obecnej dekady.

Silnik HyperReact – szansa na łatwiejsze kosmiczne wojaże?

W maju 2021 roku naukowcy z University of Central Florida i Naval Research Laboratory zaprezentowali prototyp rewolucyjnego silnika detonacyjnego HyperReact. Amerykanie twierdzą, że jeśli technologia ta doczekałaby się odpowiedniego dopracowania oraz poprawy stabilności, można by wykorzystywać ją nawet do wyniesienia promu lub samolotu kosmicznego na orbitę. W prototypie HyperReact naukowcom udało się unieruchomić detonację w silniku, dzięki czemu duża część energii została przekierowana na ciąg. Według ich szacunków napęd ten mógłby rozpędzić pojazd do prędkości od Mach 6 do nawet Mach 17.

Projekt, którego dotyczy program, składa się z trzech modułów: komory mieszania, dyszy konwergencji-dywergencji oraz ustawionej pod kątem rampy. W pierwszym mieszane są wodór i powietrze, które następnie ulegają zapłonowi. Mieszanka przedostaje się do dyszy w formie gorącego powietrza pod wysokim ciśnieniem. Tam zostaje wzbogacona o czysty wodór, a następnie trafia na rampę. To właśnie na nachylonej pod kątem 30 stopni rampie następuje intensywne uwolnienie energii – detonacja. Fala uderzeniowa takiego wybuchu rozprzestrzenia się szybciej niż dźwięk, a kontrola nad nią jest niezwykle trudnym zadaniem. Dlatego też naukowcy mają nadzieję, że dalsze prace nad konstrukcją oraz doborem mieszanek paliwowych pozwolą na ustabilizowanie zachodzącej detonacji, a tym samym na przewidywalną pracę silnika. Jest to warunek konieczny, by napęd mógł zostać dopuszczony do użytku.

Następca najszybszego samolotu świata poleci z prędkością ponad 2 km/s?

Koncern zbrojeniowy Lockheed Martin od 2013 roku rozwija także samolot SR-72, mający być bezpośrednim następcą SR-71 Blackbird – maszyny, która od prawie 60 lat nosi tytuł najszybszego samolotu w historii. Nowy obiekt ma być zdolny do rozwinięcia prędkości nawet 8 tys. km/h. Będzie także zdolny do wystrzelenia pocisku hipersonicznego. Według projektów SR-72 ma być maszyną bezzałogową, zdolną do operacji w najtrudniejszych i niebezpiecznych warunkach. Według przewidywań koncernu, pierwszych testów maszyny w locie doczekamy się już w 2025.

Rosja i jej technologie hipersoniczne

Zaangażowanie Rosji w opracowywane programy technologii hipersonicznych pozwoliło jej dość szybko odnieść na tym polu znaczące sukcesy. Kraj stale testuje swoją broń hiperdźwiękową oraz zapowiada jej nowe ulepszenia. Rosja uznaje broń hipersoniczną za swoją szansę na długie utrzymanie zdolności obronnych, w szczególności w przypadku konfliktu z USA, oraz za dającą perspektywy zdobycia przewagi na polu współczesnych technologii militarnych.

Pocisk Cyrkon  – hipersoniczny sukces Rosji

3M22 Cyrkon to hipersoniczny, przeciwokrętowy pocisk manewrujący, od 2011 roku rozwijany przez zakłady NPO Maszinostrojenia. Według rosyjskich danych test znajduje się w końcowej fazie i obecnie trwają przygotowania do produkcji seryjnej pocisku. Nowe egzemplarze mają trafić na nawodne i podwodne okręty rosyjskiej marynarki wojennej. Napęd, jaki wykorzystuje Cyrkon, to silnik strumieniowy z naddźwiękową komorą spalania. Na temat pocisku niejednokrotnie wypowiadał się prezydent kraju, Władimir Putin. Stwierdził on, że Cyrkon jest zdolny do lotu z prędkością około Mach 9, zaś jego zasięg rażenia określił na około 1000 kilometrów. Przywódca Kremla zasugerował także, że obecnie mogą trwać próby dostosowania systemu do warunków lądowych.

Na początku października 2020 pocisk przeszedł udany test, gdzie uderzył w oddalony o 450 kilometrów cel. Osiągnął prędkość 5,7 tys. km/h i wzniósł się do maksymalnej wysokości lotu 28 kilometrów. Jak twierdzą eksperci, pocisk Cyrkon oznacza dla Rosji możliwości powstrzymywania USA przed ewentualnymi próbami rozmieszczania swoich rakiet w Europie.

System Awangard – najszybszy w Rosji i na świecie?

W swoim orędziu w 2018 roku Władimir Putin zaprezentował światu hipersoniczną broń Awangard, mianując ją jednym z największych przełomów technologicznych, dających się porównać do wystrzelenia Sputnika w 1957 roku. Według deklaracji lot pocisku tego systemu nad gęstymi warstwami atmosfery może osiągać zawrotną prędkość od Mach 20 do nawet Mach 27. W dodatku głowica miałaby zachowywać przy tym pełną sterowność i możliwości manewrowania. Doniesienia deklarują, że rakiety z napędem hipersonicznym mają mieć zasięg międzykontynentalny oraz być zdolne do przenoszenia zarówno konwencjonalnych, jak i nuklearnych głowic.

Pierwszy test zaawansowanej wersji rakiety miał zostać przeprowadzony już w 2013 roku. Jak twierdzą Rosjanie, w 2018 roku obiekt został poddany próbie, w której miał przebyć odległość ponad 6000 kilometrów – według zapewnień, test był udany, a pocisk zdołał rozpędzić się do prędkości hipersonicznej, zachowując zdolność manewru. System został oddany do służby w armii Rosji w 2019 roku – hipersoniczne głowice Awangard został na razie wyposażony bojowy pułk strategicznych rakiet balistycznych.

Pociski Kindżał – kolejna superszybka broń Rosji?

Prezydent Federacji Rosyjskiej w 2018 roku poinformował, że krajowa armia posiada także inną hipersoniczną broń – pociski powietrze-ziemia Kh-47M2 Kindżał, mogące przenosić zarówno głowice konwencjonalne, jak i nuklearne. Prawdopodobnie jest ona modyfikacją rakiety balistycznej Iskander. Rosja twierdzi, że pocisk osiąga prędkość nawet Mach 10, a jego zasięg rażenia może wynosić aż 2000 kilometrów.

Napęd hipersoniczny w Chinach – jak Państwo Środka rozwija tę technologię?

Kolejnym światowym mocarstwem, jakie rozpoczęło prace nad napędem hipersonicznym, są Chiny. Państwo Środka dostrzega w tej technologii szansę na kolejny wielki krok w stronę osiągnięcia upragnionej pozycji militarnego lidera nie tylko w Azji, lecz i na całym świecie. Posiadanie i ulepszanie tego rodzaju uzbrojenia pozwoliłoby Chińczykom stanowić większe zagrożenie dla Japonii czy Korei Południowej, stale rozwijających z pomocą Amerykanów swoje systemy przeciwrakietowe.

Zobacz też: Wszystko o Kosmicznym Teleskopie Hubble’a – historia, zdjęcia, konstrukcja

DF-ZF – chiński pocisk, który osiągnął prędkość hipersoniczną

Przenoszący systemy klasy HGV pocisk średniego zasięgu DF-17 to obecnie jeden z najlepszych przykładów tego, co potrafi chińska technologia hipersoniczna. Ostatni test tego obiektu miał miejsce w 2017 r., zaś niedługo potem, bo już w 2019 r., zadecydowano o wprowadzeniu rakiety wraz z głowicą do użytku. Próbny lot okazał się udany – rakieta przebyła 1400 kilometrów i z powodzeniem uwolniła manewrujący pocisk szybujący DF-ZF, który po 11 minutach trafił w zakładany cel. Wypuszczony moduł szybujący leciał wówczas na wysokości 60 kilometrów. Aktualnie szacuje się, że prędkość DF-ZF może wynosić od Mach 5 do Mach 10, a więc od prawie 2 km/s do nawet 3,4 km/s (ponad 12 tys. km/h). Według niektórych informacji zasięg rażenia całego systemu może wynosić aż do 2,5 tys. kilometrów.

Napęd hipersoniczny sodramjet i jego potencjalne zastosowania

Pod koniec 2020 roku inżynierowie z Instytutu Mechaniki Chińskiej Akademii Nauk mieli okazję przetestować hipersoniczny silnik strumieniowy sodramjet. Prototyp napędu przeszedł udany test w jednym z pekińskich tuneli aerodynamicznych. Próba wykazała, że oprócz zdolności rozwinięcia wysokiej prędkości, silnik charakteryzuje się także odpowiednią stabilnością operacyjną. Napęd osiągnął prędkości rzędu Mach 9, inżynierowie uważają jednak, że stać go na wiele więcej, lecz obecnie nie ma takiego tunelu aerodynamicznego, w którym można by to sprawdzić. Jak twierdzą Chińczycy, ten wyjątkowy typ napędu mógłby pozwolić samolotom przemieszczać się nawet w prędkości Mach 16.

Indie – nowy gracz w hipersonicznym wyścigu

Choć w kwestii technologii hipersonicznej to USA, Rosja i Chiny obecnie wiodą prym, inne kraje nie pozostają dłużne. Podjęcie prac nad silnikami czy bronią hiperdźwiękową zadeklarowało wiele innych państw, w tym Indie – czwarty kraj na świecie, który zaprezentował swój napęd tego typu. We wrześniu 2020 roku przeprowadzono tam udany test pocisku hipersonicznego wyposażonego w silnik strumieniowy z naddźwiękową komorą spalania. Prototyp rozpędził się i w fazie lotu hiperdźwiękowego osiągnął prędkość Mach 6. Nadzorująca próbę Wojskowa Organizacja Badań i Rozwoju (DRDO) przekazała, że obiekt wytrzymał również temperaturę około 2,5 tys. st. C.

Technologia hipersoniczna w Indiach jest stale rozwijana i w przyszłości ma pomóc na przykład w wynoszeniu satelitów na orbitę okołoziemską. DRDO twierdzi, że Indie w ciągu 4 lat doczekają się hiperdźwiękowego pocisku, który osiągnie prędkość 2 km/s.

Japoński pocisk hipersoniczny typu HGVP

W odpowiedzi na zagrożenie, jakie dla Japonii mogą stanowić Chiny i Rosja, kraj ten zdecydował się na rozwijanie własnej broni z wykorzystaniem napędu hipersonicznego. W 2019 roku japońska Agencja Zamówień, Techniki i Logistyki potwierdziła, że pracuje nad szybującym pociskiem hipersonicznym odpalanym z ziemi. Zleceniodawcą prac jest Ministerstwo Obrony Japonii, zaś broń ta ma być przeznaczona do niszczenia okrętów nawodnych w możliwie jak najbardziej efektywny sposób. Podstawowy prototyp całej konstrukcji ma zostać zrealizowany do 2026 roku, natomiast w pełni gotowy już pocisk ma pojawić się około 2030 roku.

V-MaX – francuska odpowiedź na rozwój napędu hipersonicznego

Swojego  pocisku szybującego zdolnego do rozwijania prędkości hipersonicznych wkrótce może doczekać się także Francja. Tamtejsza Generalna Dyrekcja ds. Uzbrojenia (DGA) zawarła umowę z konsorcjum ArianeGroup na zaprojektowanie i wykonanie demonstratora konstrukcji szybującej, nazwanej V-MaX (Véhicule Manoeuvrant Expérimental). Projekt zakłada wykorzystanie pocisku rakietowego w początkowej fazie lotu. Pojazd ma mieć około 2 metry długości, a jego konstrukcja ma pozwalać na manewry nawet w wyższych warstwach atmosfery. Prawdopodobnie będzie on rozwijany na podstawie projektu hipersonicznego pocisku powietrze-ziemia ASN4G.

Napęd hipersoniczny a przyszłość – czego się spodziewać?

Sprawna, stabilna i zabójczo skuteczna broń hipersoniczna nie jest już mrzonką rodem z historii science fiction. Postępy uczynione na tym polu stają się obecnie bazą dla przyszłych, jeszcze bardziej zaawansowanych projektów. Wobec coraz nowocześniejszych broni stosowane dotychczas strategie i systemy obronne drastycznie tracą na znaczeniu i koniecznością staje się opracowanie ich nowej wersji, dostosowanej do radzenia sobie z zawrotną prędkością hipersonicznych pocisków. Prace nad tą technologią w tej i następnej dekadzie planują wszystkie światowe mocarstwa – hipersoniczny wyścig zbrojeń będzie więc trwał w najlepsze.