Новая технология позволяет воссоздать условия, в которых материал оказывается, когда летит со скоростью, в пять-семь раз превышающей скорость звука. Звучит эффектно, но на деле проектировать самолет для таких скоростей невероятно сложно.

Тут есть парадокс. Для гиперзвуковых аппаратов нужны материалы, которые одновременно должны быть легкими и тонкими, но при этом выдерживать чудовищное давление и жару. Создать такой материал — половина дела. Но проверить его в реальных условиях гиперзвукового полета — совсем другая задача. Группа исследователей из Университета Эмбри-Риддла намерена решить эту головоломку. Вместе с Аргоннской национальной лабораторией Министерства энергетики США они проектируют устройство, которое воспроизведет экстремальные перепады температур и нагрузки гиперзвука. Эта установка будет работать вместе со сверхъяркими рентгеновскими лучами в источнике фотонов (APS) — это научный центр в Аргонне. Ученые смогут отслеживать изменения в материалах прямо на глазах.

Профессор Сита Рагхаван, один из руководителей проекта, объясняет:

Воссоздать среду гиперзвукового полета — задача с множеством неизвестных. Нет идеального способа проверить все сразу. Аэродинамические трубы, которые имитируют огромные скорости, потребляют уйму энергии, да и доступ к ним ограничен.

Энтальпия — это общее количество тепла в каком-либо веществе или системе, если давление не меняется. Проще говоря, представьте себе чайник: если вы греете воду в открытой кастрюле (давление одинаковое), энтальпия покажет, сколько всего тепловой энергии скопилось в воде и паре вместе. В гиперзвуке энтальпия огромная: воздух на такой скорости буквально кипит, плавится и разлагается на атомы, и стенка самолета получает не просто температуру, а огромное тепловое содержание. Но ученые используют этот термин, когда говорят об аэродинамических трубах: «высокая энтальпия» значит, что газ внутри трубы не просто быстрый, а еще и невероятно горячий, почти как внутри ракетного двигателя.

Рагхаван подчеркивает: на гиперзвуковых скоростях все происходит молниеносно. Время реакции материала критически важно. Такую временную точность может дать только очень яркий пучок рентгеновских лучей. И тут как раз на помощь приходит модернизированный APS. Сейчас источник фотонов находится на финальной стадии апгрейда, который повысил яркость лучей в 500 раз. Это самый яркий синхротронный рентген в мире. По словам Рагхаван, без этих улучшений проект бы не состоялся. Плюс, исследователи тестируют очень тонкие материалы, а на обновленном APS луч можно сфокусировать до крошечного размера, чтобы собрать все нужные данные.

Ученый Виктория Кули, которая работает с командой на экспериментальной линии, подтверждает:

Сейчас самое интересное время. Более яркие лучи позволяют заглянуть глубоко в материал с высоким разрешением и изучать тончайшие образцы. А новые быстрые детекторы ловят химические изменения в кристаллической решетке, которые происходят за доли секунды.

Создание прочных и при этом не слишком дорогих материалов для гиперзвука открывает множество применений: от военных и гражданских самолетов до грузовых космических кораблей.

Проект финансирует Министерство обороны США через Университетский консорциум по прикладной гиперзвуковой технике, выделив 1,4 миллиона долларов. Кроме Рагхаван, в исследовании участвуют профессор Уильям Энгблом и доцент Марк Риклик.

Анализ стоимости технологии

Такое исследование не может быть дешевым. 1,4 миллиона долларов — серьезные деньги, но для военных и аэрокосмических программ это средний бюджет. Доступность технологии для обычных лабораторий пока нулевая. Только у нескольких национальных центров вроде Аргоннской лаборатории есть подобные источники рентгеновского излучения. Содержание и модернизация APS обошлись в сотни миллионов долларов, поэтому воссоздать такое в гараже или даже в университетской лаборатории среднего уровня невозможно.

Что было до этого

Раньше гиперзвуковые материалы испытывали в основном в аэродинамических трубах с высокой энтальпией (то есть очень горячих и быстрых). Но эти трубы «прожорливы» и редки, а главное — они не дают возможности заглянуть внутрь материала в процессе разрушения. Исследователи довольствовались измерениями до и после эксперимента. Новая разработка — не революция, а важный шажок вперед. Она не отменяет трубы, а добавляет к ним возможность наблюдать за структурой материала в реальном времени с помощью супер-яркого рентгена. Это как если раньше вы видели только итог аварии, а теперь смотрите замедленную съемку того, как именно ломается металл.

Этичность и возможный вред

Этика здесь двойственная. Сама по себе работа с материалами не опасна и не нарушает норм. Но гиперзвуковые технологии имеют прямое военное применение: новые боеголовки, разведчики и ударные беспилотники, которые нельзя перехватить. Исследование финансирует Министерство обороны США. С одной стороны, это помогает обороне. С другой — любой прорыв в этой области может привести к гонке гиперзвуковых вооружений. Вред от внедрения — не экологический и не медицинский, а геополитический. Становится проще создавать оружие, к которому нет защиты.

Сравнение с аналогами

Конструктивная критика

Подвох вот в чем: исследователи воссоздают не настоящий гиперзвуковой полет, а его имитацию. Их устройство повторяет перепады температур и механические нагрузки, но не дает того же самого воздействия воздушного потока с ударными волнами, ионизацией газа и химической эрозией. Это как проверить лодку в бассейне, а не в штормовом море. Настоящий гиперзвук — это не только жар и давление, но и агрессивная среда, где кислород распадается на атомы и разрушает материалы по-другому. Значит, материал может блестяще пройти тест в Аргонне, но развалиться в настоящем полете. Исследователи сами это признают, когда говорят, что «нет идеального способа проверить все сразу». Их метод — ценный инструмент, но не панацея.

Ранее российские ученые упростили создание сверхтвердых материалов.