Hypersonické novinky (3)

Schopnosti čínského kluzáku DF-17

První informace o existenci hypersonického kluzáku DF-17 je z ledna 2014, data prvního zaznamenaného zkušebního letu v západní Číně. Vývoj probíhal od roku 2009, zpočátku pod názvem „WU-14“, poté „DF-ZF“ než byl v roce 2017 uveden jeho oficiální název DF-17.

DF-17 kombinuje jednostupňovou balistickou raketu středního doletu IRBM (Intermediate-Range Ballistic Missile) a hypersonický kluzák typu „Wing Body“;–hybridní konfigurace integrovaného trupu s velmi velkou vztlakovou plochou a čtyřmi zadními otočnými ailerony (křidélky). DF-17 se odpaluje z podvozku TEL (Tractor-Erector-Launcher).

Poprvé byl systém DF-17 představen veřejnosti během vojenské přehlídky v říjnu 2019.

Spekuluje se, že bílá barva na špici střely naznačuje přítomnost radarového navádění. Možným dodavatelem může být Institut č. 38 skupiny CETC (China Electronics Technology Group Corporation). Podle China National Radio (CNR) kluzák „pomocí různých naváděcích metod“ již „přesně zničil několik různých typů cílů v rámci zkušebních střeleb“.

Označení DF-17, čili „Dong Feng“ („East Wind”; „Východní vítr”) je nová generace konvenčních raketových zbraní krátkého až středního dosahu. Systém zajišťuje přesné údery za všech okolností, v různých směrech a z různých úhlů. Je charakteristický svou kratší dobou přípravy, mobilitou na velké vzdálenosti a větším efektivním dosahem. V čínské vojenské terminologii „krátký až střední dolet“ označuje balistické rakety s doletem mezi 1000 a 3000 km.

Stabilizační plochy nebo ailerony?; větší foto / archív autora

Podle čínských médií jsou systémy DF-17 vybaveny dvě brigády ze základny č. 61, jejíž jednotky jsou rozmístěny podél východního pobřeží Číny. Pod dostřelem se tedy nachází území Tchaj-wanu, Japonska a Korejský poloostrov. Z tohoto pohledu je DF-17 kompletem „regionálního“ charakteru. Je třeba zmínit, že základna č. 61 byla první z čínských raketových jednotek, která provedla testy „salvou balistických raket“ a uspěla také v „penetračních testech v oblastech střežených protiraketovými systémy“.

Dostupné odhady parametrů rakety DF-17 jsou následující: délka 14,4 m, hmotnost startující rakety 14 tun, z toho hmotnost kluzáku 1,4 tuny. Dostřel se odhaduje na 1700 km s rychlostí 3200 m / s (Mach 11,5) na koncové fázi hoření motoru na TPL.

S odvoláním na informace amerických zpravodajských služeb a rozborem patentů podaných vědeckými pracovníky CASC (China Aerospace Science and Technology Corporatio), později identifikovaných jako konstruktéři DF-17, byla získána vzdálenost klouzavého letu asi 1430 km. Jedná se pravděpodobně o celkovou vzdálenost od vstupu do atmosféry až po dosažení cíle.

Území pod dostřelem raket DF-17; větší foto / archív autora

Sestupná fáze letu kluzáku začíná v exoatmosféře po oddělení od rakety. Vstupní let do atmosféry lze popsat jako rovnovážnou klouzavou fázi s počáteční fází sestupu. Rozhodujícími pro tuto fázi je úhel náběhu AoA (Angle of Attack) a úhel skluzu, jež ovlivňují aerodynamické síly. AoA je u kluzáku „nastaven“ předem.

Úhel náběhu se poté mění v závislosti na velikosti ohřevu, aerodynamickém zatížení a dynamickém tlaku a let přechází do téměř vodorovné letové hladiny (koridoru) zvané kvazi-rovnovážný klouzavý stav QEGC (Quasi-Equilibrium Glide Condition). Výška letu v této fázi je pro kluzák DF-17 odhadována od 60 km nad zemí s rychlostí v koncové fázi 1360 m / s (Mach 4,9).

Raketa DF-17 však přináší i několik otazníků. Je-li uvedeno použití čtyř aileronů k řízení letu kluzáku, pro změnu směru i úhlu náběhu postačí dva. Je otázkou, zda jsou opravdu použity ailerony anebo se jedná pouze o stabilizační plochy či kombinaci se směrovkou. To ostatně potvrzuje i výše prezentované video, kde na 30 sekundě je patrné uchycení stabilizační plošky k tělu kluzáku.

Rukávové nášivky příslušníků raketových jednotek základny č. 61; větší foto / archív autora

Raketa DF-17 konstrukčně vychází z modelu DF-16B a obecně řada DF-16 používá několik typů bojových hlavic. Je možné, že kluzák je další v řadě.

Server EastPendulum zvažuje i otázku možného vlastního pohonu kluzáku. V tom případě  ailerony dávají smysl. Na druhou stranu, střela typu scramjet dokáže splnit stejné zadání, nepotřebuje robustní platformu TEL a útočí z podstatně nižší letové hladiny. Otázkou tedy je, proti jakým cílům je komplet DF-17 především určen. Vlastní pohon kluzáku nebyl ale zatím nikde potvrzen.    

Možná protihypersonická opatření vůči kluzáku DF-17 jsme naznačili v dřívějším článku Armádních novin. Jen připomeneme, že právě na střední fázi letu QEGC kluzáků je zaměřena hlavní pozornost protiraketové obrany Spojených států.

Různé typy hlavic rakety DF-16; větší foto / archív autora

Tvarování a namáhání konstrukce hypersonických střel

Při stavbě hypersonických střel vývojáři čelí řadě výzev. V předcházejících částech jsme poukázali na problematiku hypersonického letu a s tím spojené volby vhodného pohonu. V této části naznačíme, co se děje, když pohonnou jednotku „obalíme“ pláštěm.

Prvním krokem je vůbec rozhodnout o velikosti střely. „Pokud jde o větší střely, nese to velká rizika, protože její konstrukce se může kroutit a ohýbat,“ říká David Van Wie, vedoucí sektoru letecké a raketové obrany z John Hopkinsovy laboratoře aplikované fyziky v Marylandu. „Prostě to nedokážeš udělat dostatečně tuhé. Letová zátěž se může přenášet zpět do motoru a pohonných systémů a náročnost na jejich uchycení bude s přibývající rychlostí stoupat.“

Menší střely, i když jsou konstrukčně tužší, čelí výzvám souvisejícím s jejich opláštěním a řízením tepelného namáhání. „Studie NASA již dávno uvádí, že dlouhé štíhlé střely mají mnohem vyšší hypersonické poměry vztlaku a aerodynamického odporu, než krátké, tužší střely,“ říká Van Wie. „A když se pokusíte udělat něco malého, nemůže to být dlouhé a štíhlé, protože nevytvoříte potřebný vnitřní objem. Nakonec je určující to, co je dosažitelné z hlediska aerodynamické účinnosti poměru vztlaku a odporu.“

Riziková místa v konstrukci hypersonických těles. / archív autora

„Je výzvou integrovat aerodynamiku a pohon do vnitřního prostoru,“ říká Mark J. Lewis, ředitel obranného výzkumu a inženýrství pro modernizaci na americkém ministerstvu obrany. „Musíte se ujistit, že máte dostatečný prostor pro všechny potřebné části, jako jsou senzory a systémy pro řízení, navigaci a ovládání.“

Další problém týkající se podstaty hypersonického designu střely je schopnost konstrukčně ovlivnit chování tenké mezní vzduchové vrstvy v blízkosti povrchu střely. Je snahou ji udržet ve stavu laminárního proudění, po co nejdelší dobu, aby se minimalizovalo zahřívání a tím se snížily požadavky na tepelnou ochranu. Při nadzvukových rychlostech má mezní vrstva tendenci zesílit a obecně se stává odolnější vůči otřesům. Když ale přechází na turbulentní proudění, může to ovlivnit zahřívání, odpor a stabilitu letu. Tlak vytvořený za rázovou vlnou může také vzájemně působit s mezní vrstvou.

Multidisciplinární optimalizace designu MDO (Multidisciplinary Design Optimization) pomohla dosáhnout u typu X-51A zvýšení vnitřního objemu o 46 % oproti základní konfiguraci a téměř o 40% snížení hrubé hmotnosti. / Boeing; Kevin Bowcutt

Ačkoli působení rázů na různých místech těla střely samy o sobě nejsou problémem, vzájemné působení rázu s mezní vrstvou vyvolá třecí odpor a v některých případech může zvýšit aerodynamické zahřívání až o osmkrát více než u laminárního proudění.

Se změnou místa působení šoků (rázů) se změní i místa interakce. „Proto se oblasti zvýšeného ohřevu budou přesouvat, což vyžaduje zvýšenou tepelnou ochranu nebo rozložení ohřevu do větší plochy střely [zvýšení hmotnosti a nákladů],“ vysvětluje Kevin Bowcutt, hlavní vědecký pracovník přes hypersoniku v Boeingu, který vedl koncepční návrh X-51A. „Důležitá je schopnost přesně předpovědět změnu přechodu u mezní vrstvy. Vývoj a použití prostředků k potlačení změn přechodů mezní vrstvy by také mohlo být důležité.“

„Ačkoliv pokrok v matematických výpočtech v poslední době umožnil přesnější předpovědi proudění vzduchu, nalezení dalších přechodových zón mezní vrstvy může ovlivnit robustnost konstrukce hypersonické střely,“ říká Lewis. „Naučili jsme se, jak konstrukci navrhnout, ale proč zrovna takto, stále nevíme. Uvědomili jsme si, že nikdy nebudeme přesně vědět, kdy mezní vrstva přechází z laminárního na turbulentní proudění, takže to musíme navrhnout sami.“

Tvarování vstupního otvoru experimentálního scramjetu střely XTER-1 čínské University and Space Transportation Technology v Xiamenu. Motor je určen pro výšku letu do 26,2 km; větší foto / archív autora

Naproti tomu konstruktéři scramjetových motorů podporují spíše turbulentní než laminární proudění na přední část vstupu do motoru z důvodu provozuschopnosti. „Turbulentní proudění je méně náchylné k oddělení mezní vrstvy, kdy rázová vlna spolupůsobí s mezní vrstvou,“ říká Bowcutt.

Reynoldsovo číslo je bezrozměrná veličina, která popisuje odpor prostředí v důsledku vnitřního tření. / archív autora

Spolupůsobení rázové vlny s mezní vrstvou kolem náběžných hran střely je další výzvou, zejména pro štíhlé střely typu „boost-glide“ ve vyšších nadmořských výškách, případně konstrukce s ostrým nosem. Velikost interakce při obtékání proudu vzduchu a jeho viskozity čelních hran konstrukce je ovlivněna Reynoldsovým (Re) číslem. Jedná se o bezrozměrnou veličinu vyjadřující poměr setrvačných sil k viskózním silám. V horní atmosféře s nižším Re se tloušťka mezní vrstvy zvyšuje a spolupůsobí se sousedním proudem vzduchu. Dokonce i na velmi ostrých náběžných hranách hypersonických střel, v prostředí velmi nízkého Re, růst mezní vrstvy účinně mění tvar náběžné hrany, která je s mezní vrstvou tupější vůči přicházejícímu proudu vzduchu.

Efekt mění rozvádění vzduchu na náběžné hraně, což zase ovlivňuje chování mezní vrstvy a vytváří viskózní interakce s potenciálně škodlivými dopady na poměr zdvihu a aerodynamického odporu. Podobné efekty mohou způsobit potíže i při jiných interakcích rázových vln a mezních vrstev, jako jsou vstupy (sací otvory) a vstupní plochy. „To je významný faktor v chování náběžných hran, ale zavádí měřítko,“ říká Lewis. „Takže, když vezmu daný tvar, který letí hypersonickou rychlostí s určitým výkonem a fotograficky ho zmenším, díky způsobu, jakým se tyto interakce mění, najednou dostanu úplně jiné fyzikální chování,“ uzavírá Lewis.

Zdroje: EastPendulum, Aviation Week