Артиллерия для чайников. Часть 7. Устройство ракет

Ракета сама по себе не слишком сложна — корпус из какой-нибудь дешёвой жести, запихать побольше взрывчатки и подходящую ёмкость и движочек сзади прикрутить. Но… Тогда наше поделие полетит куда-то в сторону, причём не обязательно вражескую. И тут начинаются пляски с бубнами, как наиболее эффективно и точно попасть в цель. Внезапно, простая конструкция начинает обрастать всякими трубочками, начинают применяться сложные составы топлива и всё это управляться сложнейшими электронными мозгами. Поскольку боевые части ракет в целом схожи с действием снарядов ствольной артиллерии, то тут про них повторяться не буду.

Часть 1. Задачи артиллерии.

Часть 2. Организация артиллерии.

Часть 3. Ствольная артиллерия.

Часть 4. Миномёты, гибриды и всякая экзотика.

Часть 5. Ракетные комплексы.

Часть 6. Боеприпасы ствольной артиллерии.

Ахтунг! Размеры и пропорции на схемах показаны условно.

Как уже написал выше, в общем виде неуправляемая ракета состоит из двигательной установки и боевой части (БЧ). Управляемая получает ещё блок управления (или отсек управления, или приборные отсек), который содержит бортовые компьютеры, системы связи, навигации, разные головки наведения и системы питания аппаратуры.

Собственно, главное отличие ракеты от обычного снаряда в том, что основной разгон происходит за счёт работы двигателя. Отсюда имеем, что камера высокого давления, где происходит превращение заключённой в топливо энергии в поток газов, находится в самом улетающем к врагу привете, а у ствольной артиллерии эта камера является, собсна, стволом. Отсюда ниже ускорения, можно сильно экономить на металле корпуса, пусковой установки, широко применять довольно нежную электронику и не мучаться с ПОУ.

И отсюда имеем, что можно поделить ракеты по типам двигателей. В боевых, входящих в состав РВиА в разных странах, применяются твердотопливные (РДТТ) и жидкостные (ЖРД) реактивные двигатели.

В первом случае в качестве топлива используются либо гомогенное топливо (из одного вещества), либо специальные смеси, спрессованные в специальные шашки с центральным каналом, поддерживающим равномерный фронт горения. В них и само горючее, и окислитель находятся вместе, легко и довольно долго хранятся в снаряжённом виде и обеспечивают быструю боеготовность и равномерное предсказуемое горение. А ведь сопло от этого разрушается и его не охладишь тем же топливом, как у ЖРД, нужно делать из дорогих сплавов. Ещё можно создать высокую тягу. Но если раз включил РДТТ, то уже всё, будет гореть до победного, а тяга ракет в одном пакете РСЗО даже одной серии может отличаться на 5% (т.е. при идеальных прочих условиях один НУРС «Града» спокойно улетает на 1 км от другого). Что, правда, происходит не долго — топливная шашка сгорает обычно быстро. Да и работа РДТТ обычно создаёт кучу дыма, демаскирующего позиции.

Топливную шашку изготовить одновременно и просто (ими оснащались самые первые ракеты), и очень сложно — сделать огромное максимально единообразное бревно и сейчас проблемно для большинства стран. Для обычных порохов есть серьёзные проблемы с размерами шашек, потому у более-менее крупных РДТТ применяются только смеси (например, распространена смесь из окислителя перхлората аммония и горючего-связующего бутилкаучука). Тем не менее, всякую мелочь для РСЗО можно снарядить относительно дешёвым порохом и движки будут работать после десятков лет на складах.

К слову, в СССР огромнейший вклад в разработку смесевых топлив и создание твердотопливной МБР РТ-2 внесли выходцы из разогнанного КБ Грабина.

В ЖРД горючее и окислитель находятся в разных объёмах, которые подаются по трубопроводам для смешения с помощью форсунок и дальнейшего сжигания в камере сгорания. И тут мы сразу упираемся в кучу проблем:

• плотность веществ низкая, потому нужно увеличивать размеры ракеты;
• сложность подачи веществ (а на некоторых ракет их может быть до 6 видов!), необходимы турбонасосы подачи, работающие с высокой точностью, трубопроводы, выдерживающие высокие давления и надёжная запорная аппаратуры (считай краники), системы регенеративного охлаждения, криогеника, чтоб твоя ракета с химической БЧ не решила закосплеить Starship, а ты такой красивый в 10 м от неё сидишь;

• много эффективного жидкого топлива очень агрессивным химически, потому требуются стойкие ёмкости хранения и при утечке можно травануться как от качественного химического оружия;
• неустойчивость горения — едва через форсунки один компоненты будет впрыснут в чуть-чуть большем количестве, случится либо просадка тяги, либо её скачкообразный рост. Это полностью исправить нельзя и компенсируется инертностью системы — какая-нибудь 200-тонная туша не заметит неоднородность горения;
• неудобство заправки ракеты — опять же, можно отравиться, а при невезении поджечь всё случайной искрой. Так, обувь расчётам ракет семейства Р-7 делали с медными элементами, а не железными. Сейчас заправку стараются делать с помощью ампул, что несколько упрощает ситуацию;
• сложность долговременного хранения ракеты в заправленном состоянии.

И вроде бы смысл в таких двигателях вообще, только вот топливо к ЖРД имеет высокий удельный импульс (УИ) — это сколько секунд 1 кг топлива сможет выдавать тягу в 1 ньютон. Так, у популярной и ядовитой связки несимметричного диметил гидразина и азотного тетраоксида (НСДГ+АТ) выдаёт УИ 344 с, а водород+кислород вообще 455 с. В ответ РДТТ могли долгое время похвастаться разными топливами с УИ 180-235 с. Сейчас с добавками наночастиц алюминия удалось добиться УИ 270 с.

Плюс в ЖРД проще организовать управление и охлаждение сопла топливом, т.н. регенеративное охлаждение. Холодное топливо обтекает сопло и, уже нагретое, подходит к форсункам для смешения. Есть смеси, которые при контакте самовоспламеняются, так что можно отказаться от системы зажигания (например в двигателе ракет «Эльбруса», см. ниже).

И всё равно сложности обращения с топливом и низкая боеготовность привели к тому, что ЖРД в боевых ракетах использовались в основном в разных баллистических ракетах от ОТРК до МБР, дальнобойных ЗУР, а сейчас от них отказываются и последние мамонты в РВСН типа Р-36 «Воеводы» и Р-29РМУ2 «Синева» доживают свои последние дни.

Раз так, то разберу подробнее устройство РДТТ. Основная его часть — это цилиндрическая камера сгорания, куда заправлена топливная шашка. С одной стороны она закрыта глухой крышкой (переднее днище) с устройством воспламенения (либо капсюлем-воспламенителем). С противоположной стороны расположено сопловое днище и, собсна, сопло (или сопловый блок). У надкалиберных гранат РПГ сопла находятся спереди по направлению движения. Толщина стенок камеры сгорания и сопла довольно велика, чтобы конструкции выдержали долгий нагрев (в отличие от баков и корпусов ракет с ЖРД, где некоторые образцы просто снимаются под своей тяжестью без топлива).

Есть попытки регулирования тяги РДТТ с помощью гидравлического поршня, перекрывающего критическое сечение сопла, газодинамического наддува или отвода части газов в сторону. Так тягу можно менять до 30%. Но военные управляемые ракеты полагаются на системы управления, которые больше подходят для наведения на небольшие цели. Они получают с пусковой, командного пункта или от систем самой ракеты команды и после различными методами исправляют ошибки работы двигателя и прочие отклонения от нужной траектории в процессе их накопления. Сюда входят:

• аэродинамические (воздушные) рули — обычные плоскости, которые работают, отталкиваясь от потока набегающего воздуха. Подвидом являются решетчатые рули, которые разворачиваются перпендикулярно направлению движения. Естественно, чем выше от земли, тем хуже это всё работает;
• газовые рули — плоскости, установленные за соплом ракеты (либо вообще в нём) и отклоняют направление потока газов. Из-за постоянного воздействия струи горящего топлива массивны и выполнены из дорогих материалов, но работают на любой высоте;
• поворотное сопло — направление потока изменяется за счёт разворота сопла;
• импульсная коррекция — ставится кольцо с множеством мелких двигателей, работающих доли секунды перпендикулярно оси ракеты. Может очень резко поменять курс, потому легко переборщить и точность обычно хуже, чем у других способов управления.

Все эти устройства работают по сигналам от мозга ракеты — систем наведения, которые делятся на:

1) автономные — работают без получения информации с пункта управления или каких-то сигналов от цели:

• гироскопические — работают на свойстве гироскопа сохраняться своё положение в пространстве. Он определяет относительный ноль в пространстве, от которого замеряется тангаж (отклонения носа ракет вверх-вниз), рыскание (влево-вправо), крен (поворот вокруг продольной оси);
• инерциальные — если ракета отклоняется от траектории, то возникают небольшие ускорения, которые считывают датчики-акселерометры. Имеет в своём составе ГСП — гиростабилизированную платформу;
• бесплатформенные инерциальные измерительные системы (БИНС) — акселерометры располагаются прямо на корпусе
• корреляционные — в память ракеты заливается карта местности, над которой ей надо пролетать, а потом система сличает её с тем, что видит под собой с помощью различных датчиков. В основном используется крылатыми ракетами.

2) телеуправляемые — наводятся извне через командный пункт (КП), либо с ПУ. Сама ракета называется объектом управления (ОУ), которому передают информацию по линии управления (ЛУ). Следят за ракетой по линии контроля за объектом управления (ЛКОУ), а за целью — по линии контроля за целью (ЛКЦ). Есть два основных типа телеуправления:

• непосредственного контроля за целью, когда оператор или расчёт с КП (ПУ) видит врага сам. Это, например, обычная работа расчёта ПТРК «Корнет»;
• цель видит ракета и передаёт картинку оператору. Так работает, например, израильский Spike NLOS.

По способу наведения ОУ телеуправляемые системы делятся на:

• командное управление — от цели и ОУ поступают данные на вычислитель (им может быть мозг оператора) о своём положении и расчёт или компьютер наводят непосредственно ракету на точку пересечения с целью. Такой способ даёт большой шанс промаха;
• наведение по лучу — здесь с КП (ПУ) каким-либо способом (лазером или РЛС) подсвечивают цель и ракета идёт в этом луче;
• навигационное наведение — в компьютера ракеты вводят координаты цели и она, получая свои координаты со спутника и сличая с загруженными, сама доводится до нужного места. Такой способ делает почти невозможным работу по подвижной цели, но из-за дешевизны и высокой точности очень широко распространён.

По способу передачи информации можно выделить управление проводное и беспроводное.

3) с самонаведением — основную роль тут играет ракета с её ГСН — головкой самонаведения. Они могут быть:

• полуактивными — наводятся на отражённый сигнал от источника подсветки лазером или радиолучом;
• активными — ракета имеет свои средства обнаружения и подсвечивания цели, обычно РЛС. В РВиА подобные системы не распространены;
• пассивными — ГСН срабатывает на собственное излучение цели;
• по оптическому каналу с помощью ИИ — ракета имеет мощный компьютер, которые к получаемой картинке сам находит объекты, сличает их с заложенными образцами в памяти и атакует найденные цели.

Системы с ГСН, бьющие куда-то вне прямой видимости, обычно выводятся на дистанцию уверенного захвата цели другими способами.

4) комбинированные — вариации разных видов и типов наведения. Например, ОТРК в основном используют наведение по спутниковым навигационным системам, по на всякий случай имеют инерциальную навигацию на случай работы РЭБ.

Системы наведения управляют не только полётом, но и пуском, и подрывом БЧ. Последнее особенно важно для кассетных боеприпасов, при подрыве над целью обычных фугасных или ядерных зарядов. Некоторые системы оснащены аварийным подрывом в случаев аварии или промаха (последнее больше для зенитных ракет).

В кинах часто можно видеть, что ракеты могут легко и активно гоняться за врагом (особенно воздух-воздух и ЗУР), но на деле из-за высокой скорости часто небольшое изменение положения цели позволяет той уйти, а условному ПТУР не хватит ни топлива, ни манёвренности, ни заложенных программ развернуться и атаковать. А тяжёлым ТРК и ОТРК на небольшой доворот могут потребоваться километры.

Кроме всех описанных выше способов активного управления ракеты имеют пассивные способы повышения точности, применяемые в основном в РСЗО. Это жёсткие или раскладываемые стабилизаторы (оперение, крылья). В таком случае точность всё-таки хромает, зато вариант — максимально дешёвый. Правда, сейчас он в чистом виде используется редко и заменён на стабилизацию оперением и слабым вращением, задаваемым как винтовым пазом в направляющей, так и небольшим наклоном плоскостей.

Но некоторые реактивные снаряды стабилизируются вращением — сопла их двигателей повёрнуты вбок, закручивая НУРС с огромной скоростью, схожей со снарядами ствольной артиллерии. Такой способ даёт высокую точность, порой в разы лучше, чем просто стабилизаторы, но имеет низкий КПД и требует короткого прочного корпуса, ограничивающего массу БЧ и дальность полёта.

В зависимости от того, как и где расположено оперение, ракеты можно поделить по аэродинамическим схемам:

• самолётная — имеется крупное основное крыло, плоскости которого параллельны, либо с небольшим углом отклоняются от продольной горизонтальной плоскости ракеты. Она часто используется в крылатых ракетах, т.к. помогает обеспечить большую дальность полёта;
• крестокрылая — имеет две пары взаимно перпендикулярных консолей крыла. Обеспечивает высокую манёвренность по всех плоскостях;
• нормальная — неподвижные крылья в центре масс (ЦМ) ракеты, а аэродинамические рули — сзади. Такая схема подходит к ракетам, где ЦМ смещён вперёд;
• «бесхвостка» — широкие короткие крылья смещены назад от ЦМ, рули размещены на задних кромках крыла;
• «бесхвостка» с дестабилизаторами — для улучшения манёвренности на носу ракеты добавлены небольшие плоскости;
• «утка» — крылья находятся в хвосте ракеты, тогда как рули — на носу. Наиболее эффективная у ракет с задним ЦМ;
• «поворотное крыло» — схема схожа с предыдущей, но рули сдвинуты к центру масс и их площадь увеличена, а сзади расположен относительно небольшой стабилизатор.

Примечание: крылом в авиации и ракетах считается не отдельный «курлык-курлык» сбоку от фюзеляжа, а вся несущая поверхность от край и до края. А отдельный «курлык-курлык» — это консоль крыла.

Любопытный момент с ПТУР — обычно блок управления там расположен перед БЧ и, казалось бы, надо наоборот, чтобы пробитие не терялось на прошив электроники да и вообще она выступает экраном, рассеивая кумулятивную струю, но фактически всё наоборот — из-за того, что КЗ нужно определённое фокусное расстояние, чтобы сформировать струю, увеличение расстояния точки подрыва от брони зачастую… увеличивает пробиваемость. Так что, обшивая экранами технику, может оказаться, что броне будет только хуже.

Часть ракет для защиты от всяких воздействий имеют ТПК — транспортно-пусковой контейнер. Это лёгкая одноразовая труба, герметично закрытая с краёв. Ими пользуются в основном в ПТРК, где через ТПК осуществляется ещё и соединение с пусковой установкой, и защита бойца от работы двигателя. Крышки (или диафрагмы) контейнера легко разрываются стартующей ракетой. Продвинутой вариацией ТПК для РСЗО являются сменяемые пакеты — уже готовые направляющие с заряженными ракетами, которые пачкой заряжаются при выезде на огневую позицию.

И под конец снова про двигателя. Работают они далеко не всё время полёта, потому к цели почти всегда долетают пустые цилиндры. Участок траектории, на котором работает двигатель, называется активным.

В отличие от ствольной артиллерии, ракеты гораздо более разнообразны и потому многое из сказанного тут обобщено.

Алексей Борзенков

Историческая группа коллектива авторов

Моя группа про артиллерийское и ракетное вооружение: https://vk.com/artillery333

Мой Телеграмм-канал.