Otázka rychlosti? Pochopení hypersonických raketových systémů

29/06/2022 Iveta Mauci 12 min read 229 Zobrazení hypersonické zbraně, nadzvukové střely, střely

V posledních týdnech a měsících se „nadzvukové střely“ opět dostaly na titulní strany zpráv o globální obraně. Ve dnech 5. a 11. ledna provedla Severní Korea zkušební lety toho, co prohlašuje za „hypersonickou střelu“. Oznámení, zveřejněné obrázky a letová dráha naznačují, že Severní Korea testovala rotační symetrické střelu na raketovém posilovači, které během letů provádělo vytahovací a křížové manévry, napsal server sipri.org.

Mnoho analytiků však tvrdilo, že v tomto případě štítek ovladatelného návratového kluzáku by bylo vhodnější. V září 2020 Severní Korea otestovala to, co nazvala svou první „hypersonickou střelou“, posilovač balistických střel s klínovým hypersonickým klouzavým vozidlem. Dalším příkladem, kdy byl termín „hypersonická střela“ používán sdělovacími prostředky, byl v srpnu 2020, kdy bylo hlášeno, že Čína testovala „hypersonický kluzák“.

Tyto příklady demonstrují, jak matoucí – a potenciálně zkreslující – je termín „nadzvukový“, když je aplikován na celou řadu raketových systémů řadou různých aktérů. Některé zprávy o těchto událostech také naznačoval nedostatek porozumění různým typům „nadzvukových střel“, roli jejich rychlosti a manévrovacích schopností, fyzice za nimi a jejich vojenským schopnostem a misím.

Tento SIPRI Topical Backgrounder se snaží zlepšit porozumění hypersonické rychlosti, povaze hypersonických raketových systémů, stejně jako jejich klíčových subsystémů a technologií. Zlepšení porozumění mezi tvůrci politik a novináři by mohlo pomoci informovat politické a veřejné diskurzy a identifikovat příležitosti pro uplatnění cílených opatření v oblasti nešíření a kontroly zbraní ke snížení rizik s nimi spojených.

Pochopení hypersonické rychlosti

Pojem „nadzvuková rychlost“ je široce definován jako jakákoli rychlost přesahující Mach 5, což znamená pětkrát vyšší než rychlost zvuku. Tento práh se používá k definování podmnožiny leteckých dopravních prostředků, protože řada fyzických efektů se při této rychlosti začíná stávat významnou technickou výzvou. Konkrétně objekt snáší masivní tepelný tok, když prolétá hustými vrstvami zemské atmosféry hypersonickou rychlostí. Tento a další fyzikální efekty činí vývoj vzdušných prostředků pro hypersonický let obzvláště obtížným a nákladným. Existují však také některé problémy spojené s definicí „nadzvukové rychlosti“ a s tím i částí definice „nadzvukových střel“.

Za prvé, definování hypersonické rychlosti jako čehokoli nad Mach 5 ve skutečnosti vede ke změně rychlosti objektu v závislosti na jeho výšce. Rychlost zvuku, která definuje rychlost Mach 1, závisí nejen na chemickém složení plynu, kterým se zvuk pohybuje (v tomto případě vzduchu v zemské atmosféře), ale také na jeho teplotě. Nejběžnější standardní model zemské atmosféry, US Standard Atmosphere, ukazuje významnou změnu teploty s výškou. To má za následek odlišné měření rychlosti – v kilometrech za hodinu – střely pohybující se rychlostí 5 Mach, jednoduše v závislosti na výšce, ve které střela letí (viz obrázek 1).

K této variaci je třeba přidat ještě další faktor. Vzhledem k tomu, že Machovo číslo silně závisí na okolním plynu, kterým se objekt pohybuje, je použití Machova čísla pro definice stále obtížnější, jakmile se okolní plyn ztenčuje a ztenčuje – a ve vyšších nadmořských výškách zcela mizí. I když se vědci a inženýři shodují, že stále má smysl mluvit o Machových číslech ve výškách kolem 30 km – kam dosáhnou meteorologické balony a speciální letouny – ve výšce 300 km – tam, kde již satelity obíhají kolem Země, rozhodně není dostatek atmosféry. Vzhledem k povaze zemské atmosféry, která se s nadmořskou výškou exponenciálně ztenčuje, je obtížné dohodnout se na jasném výškovém limitu, kdy by se Machova čísla měla stále používat jako měření rychlosti.

Rozlišení hypersonických zbraňových systémů

Hypersonická rychlost je často označována jako jeden z klíčových faktorů – ne-li klíčový faktor – který odlišuje „nadzvukové“ střely od ostatních střel. Rychlost balistických střel (předcházejících současný humbuk kolem hypersonických střel téměř o století) však v mnoha případech daleko převyšuje rychlost dnešních ‚nadzvukových střel‘. Předchůdce balistických střel, německý A-4 (který se později stal běžně známým jako V-2), byl poprvé vypuštěn ve 40. letech 20. století.

Během výstupu mohl dosáhnout rychlosti vyšší než 5 Mach (i když jen na krátkou dobu) a mohl to udělat znovu na chvíli na cestě zpět dolů. Ale nikdo by netvrdil, že V-2 byla hypersonická střela. Mělo by se v podobném duchu toto označení aplikovat na moderní mezikontinentální balistické střely, které dosahují rychlosti vyšší než 20 Mach při výstupu a opětovném vstupu?

Určitě ne a při definici „nadzvukových střel“ jsou běžně uváděny další charakteristiky. Avšak zatímco mezi odborníky je stále více přijímána kombinace definujících charakteristik, hypersonické střely často nejsou ve veřejných diskusích v politice a médiích dobře pochopeny. Wikipedia, společný výchozí bod pro ty, kteří se v tomto tématu teprve začínají, definuje „hypersonický let“ jako „průlet atmosférou pod hloubkou asi 90 km při rychlostech v rozmezí 5–10 Mach, což je rychlost, při níž začíná nabývat na významu disociace vzduchu a dochází k vysokému tepelnému zatížení“. Střela V-2 by však byla podle této definice klasifikována jako hypersonická střela.

Organizace Missile Defense Advocacy Alliance se sídlem v USA uvádí, že „hypersonické zbraně se týkají zbraní, které cestují rychleji než Mach 5 (~3800 mph) a mají schopnost manévrovat během celého letu.“ Článek zveřejněný ruskou radou pro mezinárodní záležitosti uvádí, že „existují dvě hlavní definující charakteristiky [které] jsou nezbytnými předpoklady pro označení zbraně jako „hypersonické“: Rychlost přesahující Mach 5 [a] schopnost provádět manévry (vertikální i horizontální) při cestování touto rychlostí uvnitř atmosféra. Mnoho balistických střel spadá mimo definici, protože nesplňují tyto předpoklady.

Vzhledem k rychlosti a charakteristikám manévrovatelnosti se hypersonické zbraně dále dělí na dva různé typy raketových systémů: hypersonické střely s plochou dráhou letu (HCM) a hypersonická klouzavá vozidla (HGV). HCM udržují konstantní nadzvukovou rychlost (a obvykle výšku) a jsou poháněny po celou dobu svého letu. Naproti tomu těžká nákladní vozidla jsou obvykle odpálena na vrcholcích balistických střel (často označovaných jako systém boost-glide) a poté klouzají zpět atmosférou ke svému cíli hypersonickou rychlostí. Existují také hybridní případy, které se neshodují ani s jednou z těchto kategorií, ale jejich prozkoumání je nad rámec tohoto pozadí.

Stojí za to zvážit rychlosti hypersonických střel (v tomto případě HCM) a porovnat je s rychlostmi balistických střel (které mohou, ale nemusí nést těžké nákladní vozidlo jako návratové vozidlo), abyste získali představu, jak dlouho to oběma trvá. typů k dosažení cílů na různé vzdálenosti (viz obrázek 2).

Vzdálenost, kterou může balistická střela uletět, závisí na rychlosti, kterou zrychluje – čím rychleji letí, tím dále jde, stejně jako házení kamenem. Naproti tomu HCM cestují (téměř) konstantní rychlostí, která je nezávislá na tom, jak daleko je jejich cíl. Jak je znázorněno na obrázku 2, balistické střely dosáhnou svého cíle rychleji než hypersonické střely na vzdálenosti přesahující zhruba 600–800 km pro HCM neustále se pohybující rychlostí 5 Mach (v závislosti na nadmořské výšce).

Naopak hypersonické střely dosahují svých cílů rychleji na vzdálenost více než zhruba 1900–2500 km pro HCM neustále se pohybující rychlostí 8 Mach, což je v současné době považováno za maximální rychlost, kterou mohou cestovat pomocí současné technologie. To znamená, že HCM obvykle dosáhnou vzdálených cílů déle než balistickým střelám. Protože těžká nákladní vozidla jsou obvykle nesena balistickými střelami,

Rychlost, manévrovatelnost a vlastnosti každého z těchto typů hypersonických raketových systémů je činí více či méně vhodnými pro specifické vojenské mise a představují výzvy pro systémy protiraketové obrany. To také ovlivňuje jejich možný dopad na strategickou stabilitu . Dosažení požadovaných výkonnostních charakteristik často implikovaných, když mluvíme o těžkých nákladních vozidlech a HCM, však vyžaduje překonání řady významných technických problémů.

Subsystémy a technologické výzvy pro hypersonická klouzavá vozidla

Jakékoli těžké nákladní vozidlo, ať už nese konvenční, jadernou nebo žádnou zbraň, je navrženo tak, aby mohlo nezávisle provádět nezbytné manévry k přesnému letu na daný cíl. Aby si vozidlo udrželo určitý stupeň autonomie, jsou zapotřebí senzory a výpočetní schopnosti. V důsledku toho těžký nákladní automobil vyžaduje mnoho stejných (nebo alespoň podobných) základních subsystémů, jaké vyžaduje balistická střela, s výjimkou pohonného systému. Vzhledem k tomu, že těžké nákladní vozidlo je vypuštěno na raketový posilovač, je obvykle určeno, aby klouzalo směrem k cíli a nepotřebuje hlavní motor.

Hlavními subsystémy nákladních vozidel jsou:

naváděcí a kontrolní systém;
lehký drak letadla (s dostatečným tepelným stíněním);
užitečné zatížení (u některých omezených misí se HGV může potenciálně spoléhat pouze na kinetickou energii nárazu).

Stejně jako u systémů balistických raket je vývoj a integrace těchto subsystémů velmi obtížná. Například naváděcí a řídicí systém potřebuje zdroj energie, počítač, senzory a akční členy – jako jsou aerodynamické ovládací plochy nebo malé trysky na studený plyn, které umožňují provádění manévrů. S připočtením kabelů, šroubů, šroubů, matic a prvků, kde jsou tyto komponenty připevněny, se zvyšuje celková hmotnost a požadovaný prostor. Ve většině případů musí být také dostatek místa pro přepravu skutečného užitečného zatížení. V důsledku toho nejsou těžká nákladní vozidla obvykle ani malá, ani lehká, což výrazně ovlivňuje schopnosti celého systému a nutné kompromisy mezi některými jeho schopnostmi.

Každé těžké nákladní vozidlo se má pohybovat tlustšími vrstvami atmosféry velmi vysokou rychlostí, čímž vytváří obrovskou tepelnou zátěž a ionizuje vzduch kolem sebe. Tato tepelná zátěž představuje obrovskou zátěž pro drak letadla, který by měl být schopen odolat i případnému namáhání generovanému manévry, které má nákladní automobil provádět. Také plazmový oblak generovaný těžkým nákladním vozem pohybujícím se hypersonickou rychlostí velmi ztěžuje jakémukoli typu senzoru cokoli snímat, natož identifikovat a zaměřit se na cíl. Nákladní automobil proto musí bez jakékoli vnější pomoci přesně vědět, kde se nachází, což vyžaduje mimo jiné velmi přesné inerciální senzory. Technologické výzvy těchto požadavků jsou srovnatelné s požadavky kosmické lodi určené k opětovnému vstupu do zemské atmosféry.

Návrh, stavba a provoz spolehlivého těžkého nákladního vozidla představuje mnoho výzev, včetně přístupu k technologii, vysokých nákladů na vývoj a požadavků na testování.

Subsystémy a technologické výzvy pro hypersonické řízené střely

Základní požadavky na HCM jsou podobné jako u těžkých nákladních vozidel, s výjimkou, že rychlosti mohou být nižší (dokonce ani maximální rychlosti 8 Mach nebyly dosud přesvědčivě prokázány). HCM navíc nesou pohonné systémy, které musí být vysoce sofistikované, aby udržely nadzvukové rychlosti po dlouhou dobu. V současné době se zdá, že tyto požadavky jsou schopny splnit pouze některé pokročilé náporové trysky a náporové trysky s nadzvukovým spalováním (scramjety). Hypersonický pohon využívající motory dýchající vzduch na delší vzdálenosti představuje extrémní technické výzvy. Zatím žádný stát nenasadil raketový systém využívající scramjetový motor, ale výzkum, vývoj a testování pokračují.

Stejné základní prvky, které jsou vyžadovány pro těžká nákladní vozidla (i když ve velmi odlišné konstrukci), jsou také relevantní pro HCM, s přidáním pohonného systému:

naváděcí a kontrolní systém;
lehký drak letadla (s dostatečným tepelným stíněním);
vysoce účinný pohonný systém (obvykle scramjet);
užitečné zatížení.

Přidání pohonného prvku přispívá k problémům zmíněným u těžkých nákladních vozidel, jak ukazuje americký prototyp X-51A ‚Waverider‘ (což by byl HCM). X-51A byl navržen pouze k předvedení operací scramjet na několik minut hypersonického letu bez schopnosti nést zbraňový náklad. Modul křižníku X-51A s délkou více než 4 metry byl zcela zaplněn (viz obrázek 3), bez dalšího prostoru pro náklad. To ukazuje vážná omezení týkající se hmotnosti a objemu pro všechny prvky subsystému v HCM.

Obrázek 3. Výřezový diagram balení subsystémů X-51A. „Program demonstrace letu motoru X-51A Scramjet “, 15. mezinárodní konference kosmických letadel a hypersonických systémů a technologií AIAA, květen 2008, str. 7.

Stejně jako u těžkých nákladních vozidel existuje mnoho stejných technologických požadavků na HCM. Tepelná zátěž může být srovnatelná (v závislosti na misi) a senzory, stejně jako naváděcí systém, musí splňovat srovnatelné požadavky. Sofistikovaná technologie potřebná pro funkční pohonný systém scramjet je v současné době hlavní překážkou ve vývoji HCM.

Schopnosti těžkých nákladních vozidel a HCM různých států se mohou výrazně lišit v závislosti na sofistikovanosti technologie, designu a technických možností. Posouzení a porovnávání skutečných schopností jakýchkoliv takových systémů by tak mělo jít hlouběji, než je schopnost dosáhnout rychlosti vyšší než Mach 5 a určitý stupeň manévrovatelnosti.

Závěry

Vrátíme-li se k hlášeným testům hypersonických střel Severní Koreou, v obou případech se zdá, že umožnění manévrovatelnosti je jedním z hlavních cílů za zdánlivými konstrukčními volbami. Pouhé popisování těchto systémů jako „hypersonických střel“ tedy neposkytuje potřebné pochopení jejich skutečné rychlosti, ani jejich manévrovatelnosti nebo typu hypersonického zbraňového systému, kterým jsou. Tyto příklady jsou také připomínkou toho, že různých stupňů manévrovatelnosti lze dosáhnout pomocí různých typů návratových nebo klouzavých vozidel a že rychlost – a dokonce i ovladatelnost – jsou pouze dvě z klíčových charakteristik raketového systému. Severní Korea pokračuje v intenzivním testovacím cyklu, je důležité zvážit charakteristiky a typy systémů a posoudit je z hlediska jejich schopností a možného poslání – kromě označení „hypersonické“.

Přílišné zaměření na „hypersonické střely“, zejména v některých populárních médiích, spolu s nedostatečným pochopením omezení tohoto deskriptoru způsobilo, že diskuse o vzniklých rizicích a možných reakcích se někdy příliš soustředily na hrozbu zkrácení doby odezvy. nebo dopad na protiraketovou obranu a další protiopatření. Zpochybňovat, proč někteří aktéři – ať už to jsou státy nebo průmysl – přijímají tuto terminologii, může pomoci odhalit motivace a vlastní zájmy v humbuku kolem hypersonických střel, tj. vypadat hrozivě nebo přitahovat finanční prostředky. Informovanější diskuse prozkoumaly například potenciální dopad významných manévrovacích schopností, včetně nejednoznačnosti cíle a úniku radarů a dalších senzorů.

Způsobem, jakým se v současnosti používá, termín „nadzvukový“ má často malý nebo žádný význam a zároveň podporuje konkurenční dynamiku a strach z promeškání technologie. Překonání tohoto nedostatku nuancí by mohlo pomoci zbrzdit některé konkurenční dynamiky a hypeem poháněné vojenské výdaje. Například schopnosti některých stávajících raket již často poskytují požadované schopnosti. Naopak výhody budoucích hypersonických střel oproti jiným systémům jsou někdy přehnané a přicházejí s velkou cenovkou.

Zvážení technických a ekonomických problémů vývoje a nasazení životaschopných hypersonických zbraňových systémů může pomoci schopnosti některých stávajících střel často již poskytují požadované schopnosti. Naopak výhody budoucích hypersonických střel oproti jiným systémům jsou někdy přehnané a přicházejí s velkou cenovkou. Zvážení technických a ekonomických problémů vývoje a nasazení životaschopných hypersonických zbraňových systémů může pomoci schopnosti některých stávajících střel často již poskytují požadované schopnosti. Naopak výhody budoucích hypersonických střel oproti jiným systémům jsou někdy přehnané a přicházejí s velkou cenovkou. Zvážení technických a ekonomických problémů vývoje a nasazení životaschopných hypersonických zbraňových systémů může pomoci informovat o snahách o kontrolu zbrojení a nešíření o rizicích, která představují hypersonické střely.

Zdroj: sipri.org