AI jako rozwiązanie problemów z bronią 5 Mach +? Hiperproblemy z hipernapędem
Pocisk hipersoniczny definiuje się jako taki, który porusza się z prędkością ponad 5 Macha (więcej niż ok. 6200 km/h). Uznaje się, iż jest to prędkość wystarczająca, aby bez groźby przechwycenia przedostać się przez obecne systemy obrony antyrakietowej, ponieważ nie są one w stanie reagować wystarczająco szybko na tak szybko poruszającego się intruza. Oznacza to, że teoretycznie pocisk hipersoniczny może trafić w dowolny cel, dając armii posiadającej tę broń strategiczną przewagę.
Teoretycznie brzmi zachęcająco. Jednak rozpędzenie pocisku do tak szalonej prędkości wymaga dużej ilości energii i paliwa, dlatego testowane przed dekady pociski hipersoniczne miały zwykle zbyt mały zasięg, aby mogły być użyteczne.
Czynnikiem ograniczającym jest istota napędu rakietowego. Rakiety zabierają w lot zapas paliwa i tlenu. Oznacza to, że hipersoniczne pociski rakietowe są za ciężkie i nieporęczne, a zatem nie mają wystarczająco dużego zasięgu. Można by to rozwiązać, budując większą rakietę, ale oznaczałoby to większe opory powietrza, co przy prędkości Mach 5 nie jest pożądane, ponieważ znów drastycznie zmniejsza zasięg. Krótko mówiąc, rakiety nie są dobrymi pociskami hipersonicznymi.
Zamiast tego lepszym rozwiązaniem jest silnik strumieniowy z naddźwiękową komorą spalania znany jako scramjet. To wersja napędu ramjet działa dokładnie tak samo jak odrzutowiec w samolocie, tyle że bez ruchomych części. W typowym odrzutowcu turbina spręża napływające powietrze, po czym następuje wtrysk i zapłon paliwa, które następnie wypycha powietrze z odrzutowca, tworząc siłę ciągu. W scramjetach turbina nie jest konieczna. Korzysta się z prędkości statku powietrznego, aby wtłoczyć powietrze do komory spalania z ciśnieniem wystarczającym do uzyskania optymalnego spalania. Dzięki temu konstrukcje te są znacznie wydajniejsze niż przeciętny odrzutowiec, co, w połączeniu z faktem, że nie muszą one transportować własnego zasobu tlenu, oznacza, że mogą być budowane jako znacznie mniejsze, lżejsze i mieć znacznie większy zasięg niż odpowiedniki rakietowe. Zatem idealnie nadają się do pocisków hipersonicznych.
Jednak dokładne opisanie i, co za tym idzie, ujarz-mienie przepływu powietrza przez scramjety przy prędkościach hipersonicznych, jest niezwykle trudne. Do tego stopnia, że nawet nasze najlepsze superkom-putery mają trudności z dokładnym modelowaniem tego zjawiska i znalezieniem optymalnych rozwiązań. W rezultacie nawet nasze najbardziej zaawansowane konstrukcje strumieniowe charakteryzują się dużymi stratami i oporami, co obniża prędkość i zmniej-sza zasięg.
Weźmy na przykład testowany przez DARPA model HAWC, Hypersonic Air-breathing Weapon Concept (1). Ten eksperymentalny pocisk hipersoniczny typu scramjet ma być kolejną generacją pocisków dla armii amerykańskiej. Chociaż loty testowe zakończyły się sukcesem i już uznaje się to za potężną broń, sporo jest jeszcze do poprawienia w wydajności.
Z pomocą systemom broni hipersonicznej takim jak HAWC mają przyjść badania NASA i laboratorium Argonne. Pracują nad sztuczną inteligencję, która może wykorzystać wyniki testów CFD (obliczeniowej dynamiki płynów) scramjeta (jest to sposób, w jaki komputer modeluje powietrze płynące wokół lub przez obiekt) i użyć ich do optymalizacji konstrukcji pocisku scramjet, aby osiągał wysokie prędkości z większą wydajnością. Innymi słowy, AI mogłaby zaprojektować pocisk hipersoniczny, który byłby znacznie szybszy i miał większy zasięg niż jakikolwiek inny na świecie.
Temperatura i brak łączności
Opanowanie napędu hipersonicznego to nie jedyny problem, z jakim borykają się konstruktorzy pracujący nad tego rodzaju bronią już od dekad. I wciąż projektowanie, budowa i wprowadzenie do użytku niezawodnej broni hipersonicznej nadal wiąże się z wielkimi wyzwaniami.
Pierwszym z nich jest zapewnienie odpowiedniej ochrony termicznej. Przeszywanie powietrza z prędkością ponad pięciokrotnie większą od prędkości dźwięku powoduje tarcie, które wytwarza dużo ciepła (2). Temperatury w pojazdach hipersonicznych mogą sięgać nawet 2200°C. Stal topi się w temperaturze 1370°C, a tytan w 1670°C. Metalowe osłony zatem raczej odpadają. Nawet jeśli zastosujemy materiały odporne na takie temperatury, to wciąż elektroniczne układy wewnątrz pocisku są zagrożone przez temperatury. Niby można zastosować izolację, ale to znów wymaganie nowych warstw, nowej masy do przenoszenia, energii itd.
Częściowo pochodną problemu termicznego jest problem komunikacji z bolidem hipersonicznym. Z bronią takiej randze jak hipersoniczna trzeba się komunikować chociażby w celu przerwania lub przekierowania uderzenia. Jednak przy tych prędkościach stanowi to poważne wyzwanie. Okazuje się, że przekazywanie i odbieranie informacji przez plazmę, bo cząsteczki powietrza, które rozpruwa pocisk, nagrzewając się i wchodząc w interakcję, z dużym prawdopodobieństwem ulegają jonizacji, jest trudne, jeśli nie niemożliwe. Problem ten jest dobrze znany z astronautyki. Gdy załogowe kapsuły kosmiczne lub wahadłowce wchodzą w atmosferę, wracając na Ziemię, dochodzi do przerw w łączności.
Z problemów wynikających z ogromnej prędkości oraz termicznych płyną kolejne wyzwania związane z precyzją nawigacji, pozycjonowania i celowania wreszcie. Założenie jest takie, że broń tego typu cechować ma duża manewrowość przy wielkiej prędkości. Sama prędkość nie jest znów aż tak wyjątkowa - pociski balistyczne również opadają na Ziemię z prędkością większą niż 5 Mach. Jednak rakiety balistyczne mają widoczne i dość przewidywalne obliczeniowo trajektorie. Pocisk hipersoniczny nie ma wznosić się w przestrzeń kosmiczną, lecz w sposób trudny do namierzenia lecieć nisko, w tym także manewrując, zmieniając tor lotu. Przy tak wielkich prędkościach każdy rodzaj manewru wywołuje duże obciążenia strukturalne i aerodynamiczne. Systemy muszą być zaprojektowane tak, aby wytrzymać te obciążenia i zapewnić, że ich układy sterowania będą w stanie wytworzyć niezbędne siły.
Czy sztuczna inteligencja pomoże także w tych wszystkich innych problemach związanych z pociskami hipersonicznymi? To się okaże. Na razie panuje przekonanie, że na tak wielką złożoność obliczeniową najlepszym rozwiązaniem jest AI.
Mirosław Usidus
