Как определить оптимальную траекторию для перехвата космического объекта? Мнения специалистов могут существенно различаться, поскольку каждый эксперт акцентирует внимание на своих аспектах. Например, как выглядит перехват с точки зрения специалиста по динамике полета и управлению движением? Он выступает в роли архитектора и разработчика траектории, создателя движения и полетных ситуаций. В соответствии с его полетной схемой работают конструкторы, создающие аппарат, и команды, отвечающие за запуск. Траектория космического перехвата также будет определена его решениями.
В данном случае мы бы рассмотрели задачу с точки зрения динамики полета и управления, что представляет собой весьма интересный подход. Несмотря на некоторые упрощения и возможные неточности, ее решение вполне осуществимо.
Для разработчика техническая система предстает в ином свете, нежели для других специалистов. Создатель рассматривает ее в первую очередь как сложную конструкцию, наполненную смыслом. Именно через эту призму он воспринимает задачи, для которых ищет решения. Кроме того, он обладает знаниями из специализированных областей, которые зачастую недоступны широкой публике. Попробуем взглянуть на предмет с его точки зрения, попытавшись понять его ход мыслей и логику.
Заатмосфера: область, где господствуют высота и скорость. Какие цели будут преследовать участники?
Высота 100 километров считается границей, отделяющей атмосферу от космического пространства. Объекты, находящиеся выше этой отметки, движутся по баллистическим траекториям, где аэродинамические силы оказывают незначительное воздействие. Характеристики их движения зависят от высоты и скорости. Низкоорбитальные спутники и боеголовки межконтинентальных ракет на максимальных дальностях формируют группу целей, характеризующуюся определенным диапазоном скоростей – от 6,0 до 7,5 километров в секунду.
В нижнюю часть входят ракеты средней дальности и оперативно-тактические, а также реактивные системы залпового огня с дальностью 200 километров и более – их реактивные снаряды также способны подниматься выше 100 километров. Значительный вклад вносит и поток, поднимающийся на еще большей высоте, включая межконтинентальные баллистические ракеты, летящие выше 100 километров, и их разгоняющиеся ступени с боеголовками. Они характеризуются различной скоростью, которая стремительно возрастает. Сразу за атмосферой эти цели еще не достигли значительной скорости и не поднялись на большую высоту, их можно классифицировать как нижний сегмент.
Он целиком формируется из компонентов вооружений, включая боевые части и ракеты различных классов. Его масштабы увеличиваются быстрее, чем у верхнего уровня, поскольку он более прост в реализации и первым внедряется при распространении ракетных технологий в новые государства. При определении приоритетных целей можно учитывать его структуру.
Скорость и высота типичной цели для космического перехвата определяются следующим образом. Их высота составляет от нескольких сотен до тысячи километров, расстояние до цели по прямой – в два-пять раз больше, а скорости достигают двух-пяти километров в секунду. На такие объекты атмосфера оказывает незначительное воздействие, поскольку они находятся на значительно возвышенной орбите. Цели могут совершать маневры в космическом пространстве и представлять собой группировки.
С развитием технологий баллистическая цель получит возможность активно уклоняться от атакующей ракеты-перехватчика, динамично корректируя свою траекторию в зависимости от действий этой самой ракеты. Это будет представлять собой некий гибрид баллистической боеголовки и противоракеты, который вступит в своеобразную дуэль, но с обратной целью — избежать перехвата, а не сбить другую ракету, как это делает обычная противоракета. Акробатические приемы в ракетном бою, как и погоня, позволяют эффективно решать подобные задачи. Однако настолько продвинутые системы – это пока перспектива будущего. В настоящее время маневрирование баллистической цели реализуется посредством нескольких включений блока твердотопливных двигателей маневрирования.
Перехват представляет собой вынужденное прекращение полета объекта в исходном направлении, которое может быть достигнуто путем уничтожения или изменения его траектории. Для уничтожения цели в космическом пространстве могут применяться различные физические методы. Например, с использованием лазера, хотя на данный момент таких действующих боевых систем не существует. Существует также возможность сделать ядерный заряд неработоспособным, облучив его плутоний интенсивным потоком нейтронов. Это приведет к резкому увеличению скорости начальных ядерных реакций в плутонии, что вместо взрыва вызовет преждевременный выброс энергии; однако, это лишь теоретическая возможность (можно ли это считать перехватом, если траектория цели не изменится при использовании такого «отработанного» заряда?).
Существующий и эффективный на текущий момент метод поражения – это механическое воздействие. Только ракета способна обеспечить быструю и точную доставку средства такого воздействия. Ракетный перехват является основой действий в нижнем космосе.
Чем бить по цели, когда подлетели
Фугасный заряд не подходит для перехвата целей ни в космическом пространстве, ни в атмосфере. В космосе его ударная волна быстро ослабнет из-за расширения газа, а в атмосфере будет распространяться по воздуху, также быстро теряя энергию (сверхзвуковая цель может просто преодолеть ее). Для поражения целей в подобных условиях используется кинетический удар – воздействие материального тела.
Осколочное поражение – распространенный метод перехвата. Конус или поток осколков воздействуют на цель, пробивая ее и критически нарушая ее работу. Использование готовых поражающих элементов позволяет более точно и результативно создавать осколочное поле. Управляемые осколочные поля – эффективная, перспективная и активно развивающаяся область, но к ней мы вернемся позже.
Их продолжение, основная боевая часть, раскрывает сетку из стальных стержней несильным взрывом, поражая цель с налета. Аналогичный принцип реализован в кинетической боевой части — прямое попадание в цель корпусом, без использования сетки стержней. Таким образом, из авиации в космическое пространство вернулся таран, оставаясь действенным и современным способом поражения даже на ракетно-космическом уровне. Он реализуется как «сбить пулю пулей» с помощью автономного малогабаритного самонаводящегося таранного средства. И этот подход имеет преимущества, которые делают его эффективным решением.
Кинетические перехватчики могут иметь небольшие размеры и малую массу, для уничтожения цели достаточно даже одного килограмма. Встречное столкновение на скорости от пяти до восьми километров в секунду не предполагает использования взрывчатых веществ, поскольку обеспечивает воздействие на цель с повышенной силой. Отсутствует необходимость в боевой части, системе подрыва, устройстве, формирующем боевую команду для подрыва, и аккумуляторной батарее. Также не требуется определение момента подрыва. Все внутренние компоненты и начинка сводятся к одному принципу: синхронизации траектории перехватчика с траекторией цели до момента их соприкосновения. Этот процесс называется наведением.
Наведение через нужное поведение
Существует множество способов наведения. Среди них – различные методы самонаведения, варианты командного наведения, автономное инерциальное наведение, а также системы с астрокоррекцией (ориентирование по звёздам) или коррекцией по GPS – все эти функции могут быть реализованы на борту нашего аппарата.
Система наведения, являющаяся частью системы управления полетом, отвечает за процесс наведения. Как и любая техническая система, она подвержена погрешностям. При этом, для кинетического перехватчика текущий промах должен быть меньше габаритов цели, то есть не превышать метр.
Наведение основано на изменении траектории. Поворот может быть непрерывным или осуществляться импульсами, различающимися по частоте, количеству и интенсивности, что приводит к отклонению от исходного курса. Тяга реактивных двигателей маневрирования создает изгибающую силу. Для изменения направления движения ключевую роль играет боковая перегрузка, возникающая под действием тяги, которая и определяет параметры поворота: направление, радиус и продолжительность.
Динамика полета-1
Перегрузка – это величина, измеряемая в единицах ускорения свободного падения на поверхности Земли. Она является удобным и широко используемым понятием в инженерных расчетах. Объект массой тонну, испытывающий пятикратную перегрузку, будет казаться весом в пять тонн, и конструкция должна быть рассчитана на выдерживание такой нагрузки. В ракетной технике часто используют перегрузку для описания и оценки величин.
Чем ракета отличается от трамвая? На поворотах рельсы трамвая имеют изогнутую форму, которая заранее проложена. Отклоняясь в сторону, они воздействуют на трамвай, направляя его и создавая боковую перегрузку, которая, соответственно, тянет его вбок. У ракеты же причины и следствие маневров противоположны трамвайным. На борту ракеты возникает боковая перегрузка, которая изменяет траекторию в повороте. И она формируется в зависимости от величины перегрузки: с ее увеличением уменьшается радиус и время поворота. Траектория ракеты меняет направление из-за созданной на борту боковой перегрузки.
Для обеспечения маневренности атмосферные ракеты (зенитные, «воздух — воздух» и другие) подвергаются воздействию значительных боковых перегрузок, достигающих 40-90 g. Мощные силы, создаваемые давлением сжатого воздушного потока, воздействуют на корпус ракеты, которая располагается в нем под углом атаки. В условиях космоса отсутствует внешнее давление, и независимо от углов поворота корпуса, требуются не менее высокие перегрузки. Для маневрирования там используются исключительно реактивные двигатели. Боковую силу тяги создают несколько сопел, расположенных по периметру аппарата. Возможна также организация групп двигателей различной мощности: более мощные обеспечивают более быстрые и резкие повороты, а менее мощные – более точные.
Перегрузка обусловлена не исключительно двигателями. Снижение массы аппарата при той же тяге приведет к увеличению перегрузки. Перегрузка представляет собой ускорение, которое определяется отношением тяги двигателя к массе аппарата. Более высокая перегрузка обеспечивает более быстрые и крутые повороты, а малая масса аппарата повышает его маневренность. Именно поэтому возникла концепция легкого, компактного и маневренного кинетического перехватчика, отделенного от ракеты и предназначенного для работы на конечном участке полета до цели за атмосферой. Ракета выводит его в космос и разгоняет в направлении цели, после чего он отделяется. Дальнейший полет – это самостоятельная работа перехватчика, обеспечивающая его высокоточное движение. Для достижения успеха ему потребуется многое.
Где цель? Найди ее точней
Для определения местоположения и траектории движения цели требуются соответствующие данные. Визуализация цели может осуществляться с использованием радио-, оптического, ультрафиолетового или инфракрасного каналов. Эффективность оптического канала значительно снижается в затененных областях Земли из-за недостатка освещения. В радиолокационных системах действует принцип: чем выше мощность излучения, тем точнее формируется изображение. Дальность обнаружения цели напрямую зависит от мощности радиосигнала. Однако увеличение мощности передатчика и необходимого количества элементов питания приводит к росту массы, что негативно сказывается на боковой перегрузке и маневренности перехватчика.
Излучающие мощности и массу целесообразно перенести на верхнюю ступень ракеты. За атмосферой она будет двигаться в свободном полете, подобно перехватчику, испытывая одинаковое торможение в общем гравитационном поле. Таким образом, ступень ракеты будет находиться в непосредственной близости от перехватчика. На ней можно установить радар подсветки цели, а отраженный сигнал будет принят перехватчиком. Приемник займет незначительный вес по сравнению с излучателем и его питанием. Однако это потребует длительной ориентации ступени ракеты на цель до момента перехвата. Проще облучать цель с более мощного наземного или корабельного радара.
Инфракрасный канал отличается достаточной надежностью. Задача теплового наблюдения за отдельными, малозаметными объектами в космосе является сложной, однако ее решение возможно. Факелы разгонных ступеней межконтинентальных баллистических ракет достаточно заметны в данном диапазоне длин волн. Двигатели же боевых ступеней разведения могут использовать сжатый углекислоты или азот, что исключает образование пламени, теплоизлучения и видимости. Однако корпус ступени не успеет остыть после запуска, и будет заметно излучать тепло в инфракрасном диапазоне, соответствующее его температуре. Для улучшения качества изображения тепловой сенсор можно охладить жидким азотом. Инфракрасные головки самонаведения характеризуются компактностью, легкостью, точностью и высокой чувствительностью, что делает их подходящими для использования в качестве системы наведения ракеты-перехватчика.
Фильтр Калмана: математический аппарат, обеспечивший полеты программы «Аполлон»
На основе информации о положении и скорости перехватчика и цели формируется процесс сближения и управления движением перехватчика. Специализированная математика используется в алгоритмах анализа данных и генерации управляющих команд. Так, фильтр Калмана представляет собой систему дифференциальных уравнений, предназначенную для расчета апостериорной плотности вероятности (основанной на фактических наблюдениях) и набора математических ожиданий. Благодаря этому возможно получение оптимальной (с минимальной среднеквадратической ошибкой) и постоянно обновляемой оценки положения и вектора скорости цели, даже при плохой видимости: нечеткой, зашумленной или прерывистой.
В любом канале наблюдения всегда присутствуют помехи, вне зависимости от его типа, поскольку Вселенная не является пустотой. В поле зрения объекта наблюдения всегда обнаруживаются другие элементы, которые видны в используемом канале: оптическом, тепловом, радиолокационном, акустическом, сейсмическом, гравиметрическом или любом другом. Мир проявляется в любом канале наблюдения, и цель обнаруживается в нем как часть фона, состоящего из других наблюдаемых элементов. Помехи проявляются в виде шума, тумана, засветки, цветовых искажений, затенения и размытия, и они бесконечно разнообразны.
Точные координаты могут быть искажены из-за интенсивного излучения цели. Однородный фон и отсутствие других объектов могут привести к тому, что цель будет казаться более яркой. В этом случае, сильный блеск цели компенсирует отсутствие помех от чистого фона. Также, искажения вносят и особенности самого наблюдательного устройства, вне зависимости от его конструкции. Эти помехи усиливаются при неисправной работе устройства. Для уточнения положения цели, наблюдаемой в таких условиях, может использоваться фильтрация Калмана.
Этот фильтр может учитывать не только текущие координаты и скорость объекта, но и наиболее точные прогнозы его перемещения в будущем. Благодаря этому он способен предсказать наиболее вероятную траекторию цели с минимальной погрешностью.
Прогнозы постоянно корректируются с использованием двухэтапного алгоритма фильтра, основанного на текущих данных (процесс включает экстраполяцию и уточнение). Фильтр Калмана – лишь один из возможных вариантов; его функциональность может быть расширена за счет использования математического линейно-квадратичного регулятора (который может работать совместно с фильтром Калмана) и других методов. Мы не будем вдаваться в сложные математические детали, такие как гауссовское управление, матрица дисперсий, динамика вектора состояния и оценка его плотности распределения, хотя понимаем интерес к этим аспектам.
Эти разработки не относятся к технологиям XIX века. Рудольф Калман предложил свой фильтр и интегрировал его в компьютерную систему навигации пилотируемых космических кораблей «Аполлон». Согласно Википедии, фильтры Калмана сыграли ключевую роль в создании навигационных систем подводных лодок ВМС США, оснащенных ядерными баллистическими ракетами, а также в навигационных системах крылатых ракет, таких как «Томагавки». Они применялись в навигационно-управляющих системах проекта NASA «Спейс шаттл» и используются в системах управления и навигации МКС».
Особый интерес представляют разделы и главы высшей математики, содержащие уникальную информацию, в особенности перспективные направления развития. Некоторые из них не публикуются в открытом доступе, другие – содержат конфиденциальную информацию.
В специализированных организациях такие области математики обычно выделяются в отдельные главы и разделы высшей математики (см. фото). Аналогичные математические принципы применимы и при разработке перехватчиков.
Непростая УТС путь проложит до небес
Наряду со специализированной математикой существует значительная и содержательная теория, известная как «управление в технических системах», или УТС. В рамках этой теории техническая система рассматривается как совокупность взаимосвязанных элементов, в которую входит объект управления. Ключевая концепция УТС заключается в отклике звена на управляющий сигнал или команду, выраженный величиной в единицу.
При воздействии резкого изменения, равного одной единице, звено демонстрирует реакцию, характеризующуюся переходом в новое стабильное состояние через определенный интервал времени. Характер этого перехода может существенно отличаться в зависимости от звена. В одних случаях наблюдается постепенное, плавное увеличение до достижения устойчивого уровня. В других — состояние изменяется посредством быстрого, резкого скачка, формирующего выраженный пик, за которым следует сглаживание до нового установившегося состояния.
Каждое звено последовательно пройдет через свои переходные фазы, причем у одного этот процесс будет длительным и приведет к достижению установившегося состояния, а у другого — сразу его превысит. Возможны также колебания, постепенно сглаживающиеся при приближении к установившемуся состоянию. Незатухающие колебания — это отражение свойств звена, и его поведение после воздействия входящей единицы может быть разнообразным. Передача команд нескольким единицам позволит получить реакцию звена на управляющее воздействие в широком рабочем диапазоне.
Последовательное или параллельное соединение нескольких звеньев приводит к реакции, характерной для последнего звена, как правило, объекта управления. Математические модели и формулы, описывающие закономерности, позволяют определить величину и динамику этой реакции, то есть поведение объекта управления. Возможно включение обратной связи от любого звена к любому предшествующему, причем эта связь может быть как отрицательной, так и положительной. Такая цикличность усложняет реакцию (и меняет ее временные характеристики) объекта управления на внешние воздействия. Обратные связи от различных звеньев цепочки к разным предшествующим звеньям могут быть многочисленными, образуя сложные структуры. Как и несколько входных сигналов, поступающих в разные точки системы.
Система включает в себя ПИД-регулятор, состоящий из трех последовательно соединенных звеньев – пропорционального, интегрального и дифференциального (каждое звено характеризуется формулой, определяющей его работу), объект управления и канал отрицательной обратной связи.
Такую систему звеньев также можно рассматривать как звено, обладающее специфическими свойствами. Его отклик на внешнее воздействие определяется установленными правилами и формулами, что обеспечивает его предсказуемость и возможность точного расчета. Характеристики поведения звена могут включать новые качества, такие как устойчивость или неустойчивость; возможно, устойчивость до определенного уровня воздействия, после которого система становится неустойчивой. Неустойчивость характеризуется отсутствием устойчивых конечных состояний, при этом реакция звена развивается непредсказуемым образом. В результате не удается достичь требуемого установившегося состояния системы в заданный момент времени, что делает управление неэффективным. Переход от устойчивости к неустойчивости определяется с помощью специальных критериев устойчивости, таких как критерии Ляпунова, Гурвица, Рауса, Михайлова, Найквиста и других.
Более сложная система управления тангажом характеризуется большим количеством звеньев, тремя входными сигналами (указаны синим цветом) и двумя обратными связями (обозначены красными кружками). В каждом звене представлено его закон работы или функция. Формула, расположенная над схемой, описывает закономерность поведения объекта управления – самого правого звена (выделено зелёным). Это РМВ, рулевая машина высоты, привод, который устанавливает положение аэродинамической поверхности или угол поворота сопла, отвечающих за изменение угла наклона носа летательного аппарата вверх или вниз. Данная система применяется в канале управления тангажом транспортного самолета Ил-76.
В состав системы может входить от нескольких десятков до тысяч звеньев, что обуславливает высокую сложность ее свойств и поведения, несмотря на то, что эти параметры рассчитаны и известны. На последнем этапе формируется управляющее воздействие, направляемое на объект управления и приводящее его к заранее определенному состоянию. Это воздействие также включается в систему, находясь с ней в постоянной связи посредством прямой и обратной связи. Объектом управления осуществляется воздействие на систему, присутствуя в ней и влияя на ее динамику. Для корректной работы системе необходима информация о состоянии объекта управления. Отсутствие обратной связи приведет к слепому управлению и сделает его невозможным.
В результате управления перехватчиком будут определены его текущие ориентация, скорость (величина и направление), траектория, положение относительно цели, характеристики сближения с ней и другие параметры.
На этом остановимся, хотя многие важные аспекты остались без внимания. В противном случае существует вероятность, что краткий обзор основ теории управления так и не будет завершен. И хотя на первый взгляд она может показаться сложной технической областью, она является частью процесса перехвата при более детальном изучении.
«Время, вперед!»
Чтобы улучшить точность управления полетом, необходимо повысить скорость работы компонентов системы управления. Это предполагает использование быстрых алгоритмов, обеспечение высокой производительности измерительных систем, электронной аппаратуры и исполнительных механизмов, включая реактивные двигатели и систему подачи рабочего тела. Для достижения необходимого уровня эффективности может потребоваться переход к микросекундному масштабу времени (одна миллионная секунды) при проектировании работы звеньев системы.
Микросекундное время значительно сложнее, чем миллисекундное. Последнее применяется при проведении испытаний ракет и предоставляется приемными пунктами системы единого времени ПП-СЕВ, которые обеспечивают миллисекундным временем всю остальную регистрирующую технику. На вращающейся шкале каждого кадра пленки фототеодолита оптической станции траекторных измерений ФРС-2, работающей по оптической цели (например, боеголовке в атмосфере), всегда указывается текущее миллисекундное время. Без этой информации станция получит неудовлетворительную оценку по боевой работе, поскольку кадр без точной временной привязки не подлежит расшифровке, а траекторная информация теряется.
В тех случаях, когда требуется большая мощность, микросекундный масштаб применяется для задач, не оставляющих достаточного времени для контроля над процессом. Микросекунды находят применение в управлении ядерными зарядами, где необходима высокая точность. Для обеспечения точности наведения может потребоваться такой масштаб времени при управлении движением перехватчика. Особенно важна максимальная скорость реакции при значительных углах пересечения траекторий цели и перехватчика.
Угол обзора: простой, умеренный, сложный
Действительно, сложность перехвата зависит от угла между направлениями движения цели и перехватчика. Наиболее простой (и, следовательно, уникальный) случай – это прямое лобовое сближение. В этой ситуации траектории цели и перехватчика выравниваются в одну линию, и цель постоянно находится прямо по курсу полета перехватчика, занимая одну точку в небе и находясь в центре поля зрения. В данной ситуации не требуется ни маневрирования, ни расчета времени встречи, поскольку лобовое столкновение неизбежно произойдет в конечном итоге.
В действительности, при успешном наведении, траектории цели и перехватчика будут пересекаться под углом. Для этого необходимо, чтобы они одновременно достигли общей точки. Это предполагает корректировку скорости как по направлению (изменение траектории для создания общей точки), так и по величине, чтобы избежать опережения или отставания от цели.
По мере приближения к цели она становится все более заметной для перехватчика, а угол отклонения его траектории при самонаведении увеличивается: боковая перегрузка растет и достигает пиковых значений в момент сближения. В зависимости от способа наведения, может присутствовать и заключительный этап без перегрузок. Однако это возможно только при безошибочном наведении; в действительности, по мере сближения, взаимное движение уточняется, и перехватчику требуются корректировки.
В зависимости от угла подхода, вероятность перехвата варьируется: при лобовом курсе маневры могут быть сведены к минимуму, что облегчает наведение и увеличивает эффективность перехвата. Перехват сбоку, напротив, сложнее и уменьшает шанс попадания. Невозможно гарантировать, что перехватчик обязательно поразит цель; он отработает с вероятностью, определяемой условиями сближения и его действиями. Эта вероятность должна быть достаточно высокой для принятия технической системы на вооружение.
Ракета: полет до нужного момента
Какой ракетой следует использовать для запуска перехватчика? Необходимо обеспечить более быстрое ускорение после старта, чтобы свободный подъем на сотни километров в условиях замедляющего гравитационного поля позволил достичь на этой высоте несколько километров в секунду скорости. Кроме того, цель отличается высокой скоростью, поэтому времени на полет к ней ограничено. Твердотопливный двигатель позволит создать стартовые перегрузки в 100 g, одновременно минимизируя потери скорости в процессе разгона. Управление ракетой в атмосфере может осуществляться с помощью аэродинамического воздействия на корпус и рулевые поверхности.
За стратосферой плотность воздуха недостаточна для воздействия аэродинамических сил. Управление в таких условиях осуществляется газодинамическими методами, такими как поворот тяги двигателя, использование газодинамических рулей, расположенных в потоке из сопла основного двигателя, отклонение части реактивной струи, или применение небольших отдельных двигателей.
Управление ракетой существенно отличается от управления перехватчиком. В частности, ракета не будет сразу лететь точно к цели, как это делает перехватчик, а направится в расчетный район, который может располагаться на расстоянии десятков километров от фактического местоположения цели.
Поскольку ракета не сможет использовать систему самонаведения, требующую постоянного обнаружения цели (особенно удаленной), она будет использовать командное наведение. Управляющие сигналы в этом случае формируются наземным (или корабельным) центром и передаются на борт ракеты. Для этого необходим канал связи, оборудование которого увеличит массу ракеты, а сам радиоканал, даже с применением шифрования, может быть подвержен воздействию помех. Возможна комбинация инерциального и командного наведения ракеты, дополненная астрокоррекцией, GPS и другими методами.
Динамика полета — 2
Ракета должна обладать достаточным запасом топлива для обеспечения необходимой энергии на высоте перехвата. Однако, подъем на высоту и разгон – это лишь часть задачи; энергия также может быть использована для повышения точности перехвата. Для этого целесообразно добавить запас топлива для изменения траектории ракеты на курс, более близкий к цели, поскольку на таком курсе вероятность перехвата выше. Таким образом, рекомендуется выполнить маневр в виде дуги в небе, с заходом в центр передней полусферы цели, что позволит существенно облегчить попадание.
Вопрос повышения эффективности перехвата можно решить путем энергоснабжения, используя дополнительное топливо для перемещения перехватчика в пространство перед целью. Это является действенным приемом, используемым при разработке траектории полета, что обеспечивает преимущество в бою.
Идеальная траекторная дуга имеет форму, близкую к гиперболе, с выпрямленными участками, подобно деревянному хомуту, надеваемому на коня: максимальный изгиб приходится на область над холкой. Этот участок соответствует моменту разворота в направлении цели. Для быстрого достижения этой точки от стартовой позиции необходимо двигаться по более прямой траектории.
Ракета входит в область пространства, расположенную значительно впереди цели по ее траектории и ближе к прогнозируемому направлению движения. В этой области обеспечивается благоприятный угол обзора на цель, что позволяет ракете развернуться навстречу и двигаться непосредственно на нее, после чего происходит отделение перехватчика.
Примеры систем внеатмосферной борьбы
Первые ракеты, предназначенные для перехвата целей в атмосфере, имели удовлетворительные энергетические характеристики, но отличались низкой точностью. Недостаточная точность наведения не позволяла уничтожать цели осколками. В связи с этим на них устанавливались специальные боевые части, в том числе ядерные, которые компенсировали отклонение за счет широкого радиуса поражения. Ракета 51Т6 «Азов», являющаяся частью советского комплекса А-135 «Амур», обладала максимальной высотой поражения 670 километров и имела размеры 20/2,5 метра при массе около 40 тонн (с учетом различных данных).
Она оснащалась термоядерным зарядом мощностью в мегатонны: разница в мощности не критична, поэтому на этом пункте можно не экономить.
Со временем трехступенчатая противоракета SM-3, разработанная компанией Raytheon и используемая в ряде стран, продемонстрировала иные характеристики. Имея высоту поражения 1500 километров и размеры 6,5/0,5 метра, ее масса составляет всего полторы-две тонны (в зависимости от модификации). Перехват цели осуществляется поэтапно по командам корабельного комплекса.
Первые две ступени обеспечивают разгон ракеты и вывод ее за пределы атмосферы, задавая траекторию движения к цели. Двигатель третьей ступени функционирует импульсами, что позволяет точно корректировать скорость и гарантировать сближение с целью. После завершения работы отделяется кинетический перехватчик, оснащенный системой инфракрасного самонаведения и получающий данные с корабля для обнаружения цели.
Система вооружена матричной тепловой головкой самонаведения с двухдиапазонным диапазоном и криогенным охлаждением, позволяющей обнаруживать цели на расстоянии свыше 300 километров. Во время процесса наведения перехватчик способен отклоняться от первоначальной траектории на 3-3,5 километра. Это обеспечивается твердотопливной двигательной установкой маневрирования и ориентации TDACS, масса которой составляет всего пять килограммов.
Ее анализ динамики полета отличается глубиной и выразительностью. Рассмотрим его подробнее.
Многозарядный газогенератор, использующий твердое топливо, производит газ с высокой температурой (2000 градусов Цельсия) и давлением. Быстродействующие клапаны направляют газ в реактивные сопла, обеспечивая частоту работы 200 герц, что соответствует до 200 срабатываний сопла в секунду. Это определяет миллисекундное время работы конечных устройств, при котором одиночное сопло активируется за пять миллисекунд. Именно столько времени требуется для выполнения команд рабочими органами, включая клапаны и сопла.
Сначала происходит измерение траектории перехватчика, определение координат цели, выполнение математических расчетов, обеспечиваемых несколькими бортовыми процессорами, и другие операции. Этот комплексный цикл завершается всего за пять миллисекунд, что свидетельствует о значительно повышенной производительности бортового оборудования, функционирующего в микросекундном диапазоне времени.
Российский комплекс заатмосферного перехвата А-235 «Нудоль», разрабатываемый взамен А-135, находится в стадии испытаний. Помимо модернизированных ракет 51Т6, которые уже хорошо известны, в его состав войдут и другие ракеты, предназначенные для неядерного перехвата. В связи с секретностью, характеристики и принципы работы этих ракет, как и в случае с SM-3, пока не разглашаются.
Некоторые характеристики могут оказаться выше, чем у американской модели. Более десяти успешных испытательных пусков уже реализовано. В ходе одного из них, 15 ноября 2021 года, на высоте приблизительно 650 километров был ликвидирован вышедший из эксплуатации спутник «Космос-1408.
Анализ фрагментов спутника указывает на то, что удар был нанесен кинетическим перехватчиком. К сожалению, это приводит к засорению космического пространства. Однако, если просто повредить цель осколками, не разрушив ее на части, радары не смогут установить факт попадания. В этом случае потребуется запуск дополнительных ракет до получения подтверждения поражения цели посредством наблюдения за фрагментацией. Разрушение цели на части является еще одним преимуществом кинетического перехватчика, поскольку это служит доказательством поражения.
Существует значительно больше технических систем, предназначенных для перехвата объектов в космическом пространстве, чем те три примера, которые мы рассмотрели. Подробный перечень и сопоставление этих систем мы опустим, поскольку это потребовало бы глубокого погружения в сложные детали. Многие из них уже находятся в составе боевых сил, функционируют в настоящее время и демонстрируют высокую эффективность.
Недавние вести из космического поднебесья
9 ноября 2023 года Израиль осуществил боевой перехват на исключительной высоте. Ракета баллистического типа «Буркан-2», являющаяся производной от советского «Эльбруса» (Scud-B по западной номенклатуре), была применена для атаки на Израиль с территории Йемена. Дальность полета этой ракеты составляет около 1000 километров, что позволяет отнести ее к ракетам средней дальности.
Израильский радар EL/M-2080 «Грин Пайн» зафиксировал пуск и передал информацию о траектории движения в автоматизированную систему управления противоракетной обороной «Голден Цитрон». Система рассчитала перехват и предоставила необходимые данные стартовым комплексам ракетной базы Таль Шакар. Именно оттуда была запущена двухступенчатая твердотопливная ракета перехвата «Хец-3» («Стрела-3») и выведена в зону перехвата кинетический перехватчик, оборудованный инфракрасным телескопом. Столкновение с целью произошло на встречном курсе при скорости сближения приблизительно шесть километров в секунду и на высоте немного меньше 100 километров.
Некоторые сразу же окрестили произошедшее первым боевым перехватом в космосе, однако данные о высоте различаются, и оценки начинаются от 80 километров — в этом случае, формально это нельзя считать космическим перехватом.
Незначительна разница в высоте от 80 до 100 километров с точки зрения физики среды и динамики полета при сближении и наведении, что не оказывает влияния на перехват. Даже если это не первая боевая операция в космосе, то, безусловно, самый высотный боевой перехват.
12 декабря 2023 года США провели успешные испытания заатмосферного перехвата. Ракета-мишень, имитирующая ракету средней дальности, была запущена с воздуха из района Гавайев. С базы Ванденберг в Калифорнии, являющейся частью Западного ракетного полигона, была запущена противоракета GBI разработки компании Boeing. Эта противоракета является частью наземной системы перехвата ракет на срединном участке их полета и включена в систему боевого дежурства (что является пятым случаем использования систем заатмосферного перехвата).
Ракета твердотопливная, состоящая из трех ступеней, имеет длину 17 метров и массу 13 тонн. Она способна поражать цели на высоте до 2000 километров, находящихся на удалении до 5500 километров. Заатмосферный кинетический перехватчик уничтожил цель в космическом пространстве на расстоянии 1000 километров от побережья Калифорнии.
Данный перехватчик заслуживает более тщательного изучения. Изделие EKV, разработанное компанией Rayton, имеет диаметр 0,6 метра, длину 1,4 метра и вес 64 килограмма. Маневрирование осуществляется посредством системы сопел, приводимых в действие сжатым азотом, а наведение осуществляется с помощью электронной оптической системы, обладающей надежной защитой от помех. Его скорость чрезвычайно велика – 10 километров в секунду. При столкновении с целью, имеющей собственную скорость в диапазоне 6-7 километров в секунду, результирующая скорость удара составит 16-17 километров в секунду.
Высвобождаемая энергия эквивалентна взрыву тонны тротила. Этого достаточно не только для уничтожения цели, но и для испарения ее обломков и осколков, практически исключая образование опасных для спутников фрагментов. Это еще один перспективный метод перехвата в космическом пространстве.
«Еще одна, заключительная повесть, и завершается моя летопись»
В область вопросов заатмосферного перехвата можно углубляться безгранично; чем дальше погружаешься, тем сложнее становятся детали, но при этом возрастает и интерес. Разнообразие технических решений может привести к ошибочным выборам, и иногда эти выборы оказываются диаметрально противоположными.
Мы стремились выявить различия между рассматриваемыми вариантами, чтобы определить масштаб и охват области. Для работы сопел маневрирования можно использовать как горячий пороховый газ, так и холодный азот. Канал наблюдения цели может быть реализован с использованием тепловых, электронно-оптических и радиолокационных методов. Длина и масса ракет различаются в десятки раз, а скорости перехватчиков, высота и дальность поражения – в разы. Все это позволяет воплощать разнообразные замыслы разработчиков в реальных изделиях.
Разработка технологий перехвата, а также проработка новых идей, концепций и технических решений, идет постоянно и с высокой интенсивностью. Соединенные Штаты могут вновь обратить внимание на программу разработки многоточечных боевых частей для нескольких кинетических перехватчиков, размещаемых в одной ракете: то, что ранее считалось неэффективным, может оказаться действенным благодаря новым технологиям. Альтернативный сценарий – адаптация и распространение технологий разделяющихся боеголовок для ракет, таких как «Скиф» и других оперативно-тактических ракетных комплексов и систем средней дальности, в случае появления множества групповых целей. Израиль, располагающий значительным количеством ракетных комплексов, продолжит совершенствовать свою систему противоракетной обороны.
Все больше стран получают доступ к ракетам, способным преодолевать атмосферу. В связи с этим, разработка средств защиты от них будет только ускоряться. Будущее покажет, какие новые методы и технические системы будут реализованы для перехвата вне атмосферы, и в каких аспектах решается эта задача.