Как сбить цель в космосе? Ответы будут разными даже для разных специалистов: каждый видит свои стороны дела. Можем ли мы, например, посмотреть на перехват в космосе глазами специалиста по динамике полета и управлению движением? Это своего рода конструктор и разработчик полета, зодчий движения и полетных ситуаций. По его полетной схеме работают конструкторы металла, создавая аппарат, и стартовые команды. Средство космического перехвата тоже полетит по его решениям.
В этом случае мы увидели бы задачу со стороны динамики полета и управления, а это очень интересный взгляд. Упрощая многое, с недочетами, сделать это вполне реально.
Техническая система глазами разработчика выглядит иначе, чем для других. Создатель видит в ней прежде всего клубок смыслов, исполненных в конструкции. Так он воспринимает задачи, к которым ищет решения. Еще он вооружен знаниями из специальных областей, часто закрытых для широких масс. Попробуем посмотреть на предмет его зрением, примерив на себя его ход мыслей и логику.
Заатмосфера: край высот и скоростей. Что за цели будут в ней?
Формальной границей атмосферы назначена высота 100 километров, а выше нее лежит космос. Все летящие там объекты движутся по законам баллистики, с малым влиянием аэродинамических сил. Их особенности движения группируются по высотам и скоростям. Низкоорбитальные спутники и боеголовки межконтинентальных ракет на предельных дальностях образуют высотный и скоростной сегмент целей: их скорости лежат в диапазоне 6,0-7,5 километра в секунду.
Нижний сегмент образуют ракеты средней дальности и оперативно-тактические, а также реактивные системы залпового огня дальностью 200 километров и более — их реактивные снаряды тоже могут подниматься выше 100 километров. Важен и поток, взлетающий еще выше, включая МБР, летящие уже выше 100 километров, и их боевые ступени разведения с боеголовками. Они различны по скоростям (которые быстро растут). Сразу за атмосферой эти цели еще не разогнались сильно и не ушли высоко, их можно отнести к нижнему сегменту.
Он весь состоит из элементов оружия — боеголовок и боевых ракет разных классов. И разрастается с годами быстрее верхнего, потому что он проще и первым осваивается при распространении ракетных технологий во все новые страны. На него можно ориентироваться в выборе типовых целей.
Так оконтуриваются скорость и высота типовой цели космического перехвата. Их высоты — первые сотни-тысячу километров, удаление (расстояние до цели по прямой) в пару раз больше, а скорости два-пять километров в секунду. Атмосфера уже не оказывает на них ощутимого действия: слишком высоко. Цели могут маневрировать в пустоте по нескольку раз и быть групповыми.
С развитием техники баллистическая цель сможет активно уклоняться от атакующей ракеты-перехватчика, динамично меняя траекторию исходя из действий этого самого перехватчика. Получится некий гибрид баллистической боеголовки и противоракеты, которая включится в дуэль, но не с задачей сбить другую ракету, как у обычной противоракеты, а с обратной — задачей избежать перехвата. Так же хорошо решаемой в акробатике ракетного боя, как и погоня. Но пока настолько развитые системы — это будущее. На сегодня маневр баллистической цели реализуют просто несколькими включениями блока боковых твердотопливных двигателей маневрирования.
Перехват — это принудительное прекращение полета цели в прежнем направлении: уничтожение или отклонение траектории. Уничтожить цель в космосе можно разной «физикой». Лазером, хотя пока таких реальных боевых систем нет. Можно сделать ядерный заряд невзрывоспособным, облучив плотным нейтронным потоком его плутоний. Это критически усилит начальный уровень ядерных реакций в плутонии и вместо взрыва даст преждевременный «хлопок»; но это в теории (будет ли это перехватом, если траектория цели при «протухшем» заряде никак не изменится?).
Реальный способ поражения, работающий уже сегодня, другой: механический удар. Быструю и точную доставку средства такого удара выполнит только ракета. Именно ракетный перехват — база действий в нижнем космосе.
Чем бить по цели, когда подлетели
Ударная волна фугасного заряда для перехвата не годится ни в космосе, ни в атмосфере. В космосе она быстро ослабеет с разлетом газа, а в атмосфере пойдет по неподвижному воздуху, тоже быстро рассеиваясь (сверхзвуковая цель может просто улететь от нее). Для поражения в таких условиях работает кинетический удар материального тела.
Осколочное поражение — классика перехвата. Конус или поток осколков попадает по цели и пробивает ее, критически нарушая ее функционирование. Готовые поражающие элементы позволяют точнее и эффективнее сформировать осколочное поле. Управляемые осколочные поля очень эффективная, интересная и развитая тема, но о ней в другой раз.
Их продолжение, стержневая боевая часть, несильным взрывом раскрывает сетку из стальных стержней и «рубит» ею цель с налета. Эту же логику продолжает кинетическая боевая часть — прямое попадание в цель, но уже без сетки стержней, просто корпусом. Так в космос неожиданно пришел из авиации таран, оставаясь действенным и современным способом поражения уже на ракетно-космическом уровне. Выполняемый по принципу «сбить пулю пулей» в автономном режиме малогабаритным самонаводящимся таранным средством. И у него есть плюсы, делающие такой выбор эффективным решением.
Размеры и масса кинетического перехватчика могут быть малыми, для поражения достаточно и килограмма. Встречный удар на скорости пять-восемь километров в секунду не требует взрывчатки, действуя на цель с большей силой. Не нужны боевая часть, система подрыва, звено выработки боевой команды на подрыв, аккумулятор. Не нужно определять и момент подрыва. Вся бортовая кухня и начинка сводятся к одному: совмещению своей траектории с целью до финальной встречи. Это называется наведением.
Наведение через нужное поведение
Видов наведения много. Несколько методов самонаведения, несколько вариантов командного наведения, автономное инерциальное, с астрокоррекцией (по звездам) или коррекцией по GPS — все это может работать на борту нашего аппарата.
Процесс наведения ведет система наведения, входящая в систему управления полетом. Как любая техническая система, она работает с погрешностью, при этом текущий промах для кинетического перехватчика должен быть меньше размера цели. То есть меньше метра.
Суть наведения — в повороте траектории. Непрерывный или импульсами с частотой и количеством в сериях, сильный или небольшой, он изгибает траекторию. Изгибающей силой выступает тяга реактивных двигателей маневрирования. Для изгиба важна создаваемая тягой боковая перегрузка, которая и определит параметры поворота: направление, радиус и время.
Динамика полета-1
Перегрузка — это ускорение, выраженное в g, среднем ускорении силы тяжести на поверхности Земли. Оно интуитивно удобнее в технике, и широко применяется именно в ней. Бак массой тонну в пятикратной перегрузке весит пять тонн, конструкция должна «держать» такой вес. Поэтому в ракетном деле любят оперировать перегрузкой и ее значениями.
Чем отличается ракета от трамвая? Рельсы трамвая на повороте заранее проложены изогнутыми. Уходя вбок, они давят на трамвай, ведя его в сторону и создавая боковую перегрузку, тянущую, соответственно, вбок. Получается, что у ракеты причина и следствие маневров обратны трамвайным. На борту ракеты создается боковая перегрузка, которая сгибает траекторию в поворот. И он выходит таким, какова перегрузка: с возрастанием она уменьшает радиус и время поворота. Траектория ракеты поворачивает вследствие созданной на борту боковой перегрузки.
Атмосферные ракеты (зенитные, «воздух — воздух» и другие) ради маневренности создают огромную боковую перегрузку до 40-90 g. Их корпус толкают вбок мощные силы давлений сжатого воздушного потока (ракета ставится в нем под углом атаки).. В космосе наружных давлений нет, как ни крути корпус; и перегрузки нужны не меньшие. Там работают только реактивные двигатели маневрирования. Несколько сопел с разных сторон аппарата создают боковую силу тяги. Возможны и группы двигателей разной мощности: мощные поворачивают сильнее и быстрее, слабые точнее.
Перегрузка зависит не только от двигателей. Уменьшение массы аппарата увеличит перегрузку от той же тяги. Ведь перегрузка — это ускорение, отношение тяги двигателя к массе аппарата. Больше перегрузка — быстрее и круче повороты; малая масса аппарата повышает его маневренность. Так возникла идея отдельного от ракеты легкого, компактного и маневренного кинетического перехватчика, работающего на конечном участке полета до цели за атмосферой. Ракета поднимает его в космос и разгоняет прямо на цель, после чего отделяется. Дальнейший полет — самостоятельная работа перехватчика в его высокоточных движениях. Для успеха которых ему потребуется многое.
Где цель? Найди ее точней
Например, нужны данные о цели — где она и как движется. Видеть цель можно в радио-, оптическом, ультрафиолетовом или инфракрасном канале. Оптический слабо работает в теневой зоне Земли (темно). В радиолокационном действует старое доброе правило: мощнее излучение — точней изображение. Мощность радиолуча определит и дальность обнаружения цели. Однако растет масса передатчика и элементов питания, снижая боковую перегрузку и маневренность перехватчика.
Можно вынести излучающие мощности и массу на верхнюю ступень ракеты. За атмосферой она летит в свободном полете так же, как и перехватчик, одинаково тормозясь в равном для обоих местном гравитационным поле. Поэтому ступень ракеты летит где-то поблизости с перехватчиком. Можно разместить на ней радар подсветки цели, и отраженный сигнал будет принимать перехватчик. Приемник займет минимум массы по сравнению с излучателем и его питанием. Но это потребует долгой, до перехвата, ориентации ступени ракеты на цель. Проще облучать цель с намного более мощного наземного или корабельного радара.
Достаточно надежен инфракрасный канал. Задача теплового наблюдения отдельных тусклых целей в космосе не всегда простая, но она решается. Факелы разгонных ступеней МБР достаточно ярки в этом диапазоне. Двигатели же боевой ступени разведения могут работать на сжатой углекислоте или азоте, не давая огня, тепловой яркости и видимости. Но корпус ступени еще не успеет остыть после старта, и будет неплохо светиться на своей температуре в инфракрасном диапазоне. А тепловой сенсор можно охладить жидким азотом для повышения качества зрения. Инфракрасные головки самонаведения компактны, легки, точны и чувствительны; они вполне подходят на роль «глаза» ракеты-перехватчика.
Фильтр Калмана: математика для полетов «Аполлонов»
о данным о положениях и скоростях перехватчика и цели строится процесс сближения и управления движением перехватчика. Алгоритмы анализа данных и выработки управляющих команд используют специальную математику. Например, фильтр Калмана — система дифференциальных уравнений для расчета апостериорной (значит по фактическим наблюдениям) плотности вероятности и набора значений математических ожиданий. В итоге её работы можно получать оптимальную (то есть с минимальной среднеквадратической ошибкой) и непрерывно обновляемую оценку положения и вектора скорости цели в условиях, когда цель видна плохо: нечетко, в помехах, или отрывочно с перерывами.
Помехи в любом канале наблюдения будут всегда, независимо от типа канала, потому что Вселенная не пустая. В поле зрения помимо цели всегда будет что-то еще, видимое в этом канале. Оптическом, тепловом, радиолокационном, акустическом, сейсмическом, гравиметрическом, любом. Мир виден в любом канале наблюдения, и цель видна в нем влитой в фон всего другого наблюдаемого. Зашумлено, затуманено, засвечено, зацвечено, затенено, размыто, приглушенно: помехи живут везде и бесконечно разнообразны.
Кроме того, точные значения координат могут быть «размыты» сильным блеском самой цели: чистый фон, отсутствие наблюдаемого прочего, могут заставить цель выглядеть «ярче». Тогда размытость цели своим большим блеском возместит отсутствие помех чистого фона. И сам «глаз» тоже даст свои помехи, каким бы он ни был конструктивно. И помех станет еще больше в случае его не совсем верной работы. Уточнение положения цели, наблюдаемой со всеми этими сложностями, и может дать фильтрация Калмана.
Схема уточнения наблюдений координаты Х фильтром Калмана в течение времени t. Источник: habr.com.
Но уточнить этот фильтр может не только текущие положение и скорость, но и их самые верные (оптимальные) прогнозы для будущих моментов времени. То есть он способен предсказать наиболее вероятную траекторию цели с наименьшей ошибкой.
Эти прогнозы непрерывно уточняются двухшаговым алгоритмом работы фильтра по текущим наблюдениям (экстраполяция — уточнение). Фильтр Калмана лишь один пример; его можно дополнить математическим линейно-квадратичным регулятором (совместно с которым работает фильтр Калмана), и другими. Не будем дальше углубляться в математические термины; оставим гауссовское управление, матрицу дисперсий, динамику вектора состояния и оценку его плотности распределения, и многое другое, при всем понятном интересе к ним.
Все это отнюдь не разработки XIX века. Рудольф Калман предложил и включил свой фильтр в компьютерную систему навигации пилотируемых «Аполлонов». Википедия напомнит: «Фильтры Калмана оказались критически важными для реализации навигационных систем подводных лодок ВМС США с ядерными баллистическими ракетами на борту, в навигационных системах крылатых ракет, например, «Томагавков». Он также использовался в навигационных и управляющих системах проекта NASA «Спейс шаттл», используется в системах управления и навигации МКС».
Пример специальной высшей математики в дипломной выписке, отмечена красным. А синим другие 9 «спец», всего 11 пунктов «специальный» и «спец», часто означающих закрытую информацию. Часть номеров пропущена, чтобы втиснуть нужное из двух страниц в одну картинку. Из архива автора
Разделы и главы высшей математики с подобным специальным содержимым весьма интересны, особенно развивающиеся направления. асть такой математики открыто не публикуется, часть засекречена.
Подобные области математики зовутся в профильных организациях спецглавами и спецразделами высшей математики (смотрите фото). Примерно такая математика будет работать и на перехватчике.
Непростая УТС путь проложит до небес
Помимо спецматематики есть важная и насыщенная теория, называемая «управление в технических системах», или УТС. Она видит техническую систему как группу взаимосвязанных звеньев, включающих объект управления. Основная идея УТС — реакция звена на сигнал или команду величиной в единицу.
Получив воздействие резкой ступенькой в одну единицу, звено реагирует на него — через некоторое время (время реакции) переходит в новое установившееся состояние. Переход может сильно различаться для разных звеньев. У одних он пойдет долгим пологим возрастанием до установившегося уровня. У других состояние изменится быстрым, крутым и «зашкаливающим» всплеском, который поднимется высоким горбом волны, а затем плавно снизится до установившегося нового состояния.
Оба звена пройдут (каждое за свое время) через свои переходные состояния, у одного долго растущее до установившегося, у другого сходу превышающее его. А возможны и затухающие колебания на пути к установившемуся состоянию. И незатухающие — свойства звена и его поведение после воздействия входящей единицы могут быть самыми разными. А подавая команды в несколько единиц, получим реакцию звена на управляющую команду в широком рабочем диапазоне.
Несколько последовательно или параллельно связанных звеньев дадут на выходе реакцию последнего звена, обычно объекта управления. Ее величину и характер нарастания этой реакции — то есть поведение объекта управления — можно определить по математическим правилам и формулам, описывающим закономерности в этой области. Можно добавить обратную связь от любого звена в цепочке на любое предыдущее, сделав ее отрицательной или положительной. Это зацикливание усложнит реакцию (и изменит ее время) объекта управления на воздействия на звенья системы. Обратных связей от разных звеньев цепочки к разным предшествующим звеньям бывает несколько, или даже много, до густых дебрей. Как и несколько «входов» в разных местах.
Пример системы с пропорционально-интегрально-дифференциальным регулятором (ПИД-регулятор), содержащей три звена (сверху вниз пропорциональное, интегральное и дифференциальное, это видно в каждом звене по формуле, описывающей поведение звена), объект управления и отрицательную обратную связь.
Такую систему звеньев тоже можно объявить звеном со своими сложными свойствами. Его реакция на входящее воздействие задается правилами и формулами, поэтому она закономерна и ее можно точно рассчитать. Поведение звена может обладать новыми характеристиками — например, быть устойчивым или неустойчивым; или до одного уровня входящего воздействия устойчивым, а выше этого уровня неустойчивым. Неустойчивость означает отсутствие установившихся конечных состояний, реакция звена «идет вразнос» в той или иной форме. В итоге не выходит достичь нужного установившегося состояния системы в нужный момент времени: управление неэффективно. Переход от устойчивости к неустойчивости определяется специальными критериями устойчивости Ляпунова, Гурвица, Рауса, Михайлова, Найквиста и другими.
Пример более сложной системы управления по тангажу: больше звеньев, 3 входа и две обратных связи (отметил красными кружками). В каждом звене написан его закон поведения или функция. Верхняя формула выражает закон поведения объекта управления, самого правого звена (РМВ). Это рулевая машина высоты, привод, задающий положение аэродинамической поверхности или угол поворота сопла, управляющих задиранием носа ракеты выше или ниже горизонта.
Звеньев может быть несколько десятков или тысяч, а свойства и поведение системы из них — чрезвычайно сложными, хотя расчетными и известными. Перед последним звеном формируется управляющее воздействие, идущее на объект управления и приводящее его в точно рассчитанное нужное состояние. Он тоже входит в систему, связанный с ней всегда как входящей, так и обратной связью. Ею объект управления и воздействует и присутствует в системе, влияя на ее динамику. А системе нужны данные от объекта управления, чтобы знать его состояние и действовать верно. Без обратной связи управление пойдет вслепую и станет невозможным.
В нашем случае итогом управления перехватчиком станут его текущие ориентация, величина и направление скорости, траектория, положение относительно цели, параметры сближения с ней, et cetera.
На этом оставим УТС, хотя многие важные моменты мы даже не упомянули. Но иначе есть риск никогда не закончить краткий осмотр начал теории управления. И хотя она с первого взгляда кажется непонятными техническими дебрями, это и есть часть процесса перехвата в более детальном рассмотрении.
«Время, вперед!»
Для повышения точности управления движением нужно увеличить быстродействие звеньев системы управления полетом. Это и выбор быстрых алгоритмов работы, и быстродействие измерительных систем, электронной начинки, исполнительного сегмента: реактивных двигателей и системы подачи рабочего тела. Возможно, потребуется не миллисекундный, а микросекундный (одна миллионная секунды) масштаб времени, в котором строится работа звеньев.
Микросекундное время не такая простая штука, как миллисекундное. Последнее используют при испытаниях ракет, его дают приемные пункты системы единого времени ПП-СЕВ, питающих миллисекундным временем всю остальную регистрирующую технику. Сбоку каждого кадра пленки фототеодолита оптической станции траекторных измерений ФРС-2, работающей по оптической цели(например, боеголовке в атмосфере), всегда пропечатано на вращающейся шкале текущее миллисекундное время. Без него станции поставят двойку по боевой работе, потому что кадр без точной привязки времени не читаем, траекторная информация утеряна.
Микросекундный масштаб применяют в других делах, где большая выделяемая мощность оставляет мало времени для управления процессом. Микросекунды используется в управлении ядерными зарядами, требующими высокой точности действий. Такой масштаб времени может понадобиться и для управления движением перехватчика ради точности наведения. Максимальное быстродействие будет особенно необходимо при значимых углах пересечения траекторий цели и перехватчика.
Ракурс перехвата: легко, сложнее, трудновато
В самом деле, ракурс перехвата, или взаимные направления движения цели и перехватчика, определит его сложность. Простейший (и этим особый) случай заключается в точно лобовом сближении. Тогда траектории цели и перехватчика совпадают в одну общую линию, а цель все время находится прямо впереди по курсу полета перехватчика, занимая одну и ту же точку в небе и центр поля зрения. Нет необходимости ни в маневрировании, ни в расчете момента встречи: раньше или позже в этой ситуации лобовой удар неминуем.
В реальности траектории цели и перехватчика будут пересекаться (конечно, в случае успешного наведения) под некоторым углом. И важно обеспечить одновременное прибытие цели и перехватчика в общую точку пересечения путей. Это потребует регулирования скорости не только по направлению (изгибов траектории для создания общей точки), но и по величине, чтобы не опоздать и не проскочить общую точку раньше цели.
С приближением цели она все быстрее смещается в поле зрения перехватчика, а изгиб его траектории при самонаведении усиливается: боковая перегрузка возрастает, достигая максимальных значений к моменту встречи. В зависимости от метода наведения возможен и финальный отрезок без перегрузок. Но только если это наведение безошибочно; в реальности при сближении взаимное движение уточняется, и коррекции перехватчика необходимы.
Отсюда разная вероятность перехвата с разных ракурсов: на лобовых курсах маневры могут снижаться до минимума, упрощая наведение и повышая эффективность перехвата. А перехват сбоку труднее и снижает вероятность попадания. Нельзя гарантировать, что перехватчик в любом случае собьет цель. Он отработает с той вероятностью попадания, какую задаст ситуация сближения и его действия. Вероятность должна быть достаточной для постановки технической системы на вооружение.
Ракета: полет до нужного момента
Какой ракетой запускать перехватчик? Разогнаться после старта надо быстрее, чтобы свободный подъем на сотни километров в тормозящем гравитационном поле оставил на тамошней высоте несколько километров в секунду скорости. Да и цель скоростная, времени на полет к ней мало. Твердотопливный двигатель обеспечит стартовые перегрузки уровня 100 g, заодно почти обнуляя гравитационные потери разгона. Управление ракетой в атмосфере возможно аэродинамическое, через обтекание корпуса и рулевых крыльев.
За стратосферой воздух слишком разрежен для аэродинамических сил. Управление станет газодинамическим, с использованием поворота тяги двигателя, газодинамических рулей, погруженных в поток из сопла основного двигателя, отклонением части реактивной струи, или небольшими отдельными двигателями.
Управление ракетой будет отличаться от управления перехватчиком. Прежде всего тем, что ракета полетит не сразу точно к цели, как позже перехватчик, а в расчетный район, который может отстоять от текущего положения цели на многие десятки километров.
Поэтому ракета не будет использовать самонаведение, для которого нужно непрерывно видеть цель (тем более находящуюся еще далеко). Ракета использует командное наведение, где управляющие команды вырабатываются наземным (или корабельным) центром и передаются на борт ракеты. Это требует канала связи, его аппаратура увеличит массу ракеты, а сам радиоканал, при всех шифровках сигнала, может быть входом помех. Можно комбинировать наведение ракеты сочетанием инерциального и командного наведения, дополняя астрокоррекцией, GPS и прочее.
Динамика полета — 2
Ракета должна вмещать топливо для достаточной энергии на высоте перехвата. Но подъем на высоту и разгон — это еще не все; энергию можно тратить и на повышение точности перехвата. Для этого добавим запас топлива для завода ракеты на «более встречный курс»; на котором, как мы помним, выше вероятность перехвата. Поэтому стоит провести в небе дугу с заходом в центр передней полусферы цели, и этим существенно упростить попадание.
Так вопрос улучшения перехвата можно решить энергетически, добавочным топливом на перемещение перехватчика в пространство перед целью. И это эффективное ухищрение разработчиков траектории полета, дающее боевой выигрыш.
Оптимальная траекторная дуга выходит не круговая, а скорее гиперболическая, со спрямленными сторонами, как деревянный хомут над конем: над холкой самый изгиб. Он приходится на область разворота навстречу цели. Туда нужно добраться побыстрее от старта, придется лететь попрямее.
Ракета заходит в область пространства, лежащую сильно впереди движения цели и ближе к ее прогнозной траектории. Там хороший встречный ракурс с целью, и там ракета успевает довернуть навстречу цели и лететь уже прямо на нее, вскоре отделив перехватчик.
Примеры систем внеатмосферной борьбы
Первые ракеты для заатмосферного перехвата летели туда по энергии нормально, по точности плохо: их наведение, из-за малой точности, не давало сбить цель осколками. Поэтому на них ставились специальные (ядерные) боевые части. Они компенсировали промах приличным радиусом ядерного поражения. Ракета 51Т6 «Азов» советского комплекса А-135 «Амур» с максимальной высотой поражения 670 километров имела длину/диаметр 20/2,5 метра и массу примерно 40 тонн (осредняя разные данные).
Она снабжалась термоядерной боевой частью мегатонного класса: термоядерная мощность и ее разница не так много весят, можно на них не экономить.
Ракета 51Т6 «Азов» советского комплекса ПРО А-135 «Амур». Фото: wikipedia
Прошло время, и трехступенчатая противоракета SM-3 (разработки Raytheon, стоящая на вооружении нескольких стран) показала другие характеристики: при высоте поражения 1500 километров и длине/диаметре 6,5/0,5 метра она имеет массу всего полторы-две тонны (в вариациях). Ракета заводится на цель по командам корабельного комплекса базирования, и делает это поэтапно.
Первые две ступени разгоняют ракету и выводят ее за атмосферу, заводя на встречный курс с целью. Двигатель третьей ступени работает импульсами для точного управления по скорости и обеспечения встречи с целью. После ее работы отделяется кинетический перехватчик с инфракрасным самонаведением и получением подсказок с корабля для поиска цели.
Ракета SM-3. Фото: topwar.ru
Он оснащен матричной двухдиапазонной тепловой головкой самонаведения с криогенным охлаждением, обнаруживающей цель с удаления 300 и более километров. В ходе наведения перехватчик может отклоняться до 3-3,5 километра в сторону от своей начальной траектории. И делает это с помощью твердотопливной двигательной установки маневрирования и ориентации ТDACS массой всего пять килограммов.
Ее работа с точки зрения динамики полета интересна и красноречива. Опишем ее.
Кинетический перехватчик LEAP ракеты SM-3. Фото: форум avia.ru
Твердотопливный газогенератор с несколькими зарядами топлива дает газ высокой температуры (2000 градусов Цельсия) и давления. Быстродействующие клапаны перепускают газ в блоки реактивных сопел с частотой 200 герц, то есть работа сопел происходит до 200 раз в секунду. Это и есть миллисекундное время работы конечных устройств, одиночное срабатывание сопла за пять миллисекунд. Такое время занимает конечное исполнение команд рабочими органами, клапанами и соплами.
Перед этим идет процесс измерения движения перехватчика, положения цели, работа математики, обеспечиваемая несколькими бортовыми процессорами и другие действия. Весь этот цикл укладывается в пять миллисекунд, что говорит о куда более высоком быстродействии бортовых систем: они работают на микросекундном уровне времени.
Российский комплекс заатмосферного перехвата А-235 «Нудоль», приходящий на смену А-135, еще проходит испытания. Наряду с уже знакомыми нам модернизированными ракетами 51Т6 в его состав будут входить и другие ракеты, способные к неядерному перехвату. В силу засекреченности пока невозможно привести их параметры и детали работы, подобно SM-3.
Возможно, какие-то параметры могут превосходить американский аналог. Успешных испытательных пусков проведено уже более десятка. В одном из них, 15 ноября 2021 года, был уничтожен отработавший свой ресурс спутник «Космос-1408» на высоте около 650 километров.
Судя по множеству итоговых фрагментов спутника, это был удар кинетического перехватчика. Увы, это засорение космоса; но, если просто посечь цель осколками без разрушения на куски, радары не смогут определить, поражена цель или нет. Придется запускать по ней новые ракеты, до радарного подтверждения поражения цели через наблюдение ее фрагментации. В разбивании цели на куски еще один плюс кинетического перехватчика — такое действие дает доказательство поражения.
Технических систем, способных к перехвату в космосе, намного больше этих трех примеров. Оставим их перечисление и сравнительный анализ из-за множества деталей, в которые пришлось бы углубляться. Многие из этих систем находятся на боевом дежурстве, работают сегодня, иногда ставя боевые рекорды.
Недавние вести из космического поднебесья
Боевой перехват на рекордной высоте провел 9 ноября 2023 Израиль. Баллистическая ракета «Буркан-2», потомок советского «Эльбруса» (Scud-B по западной классификации) была запущена с территории Йемена по Израилю в режиме боевого применения. Ее дальность достигает 1000 километров, что относит ее к ракетам средней дальности.
Израильский радар EL/M-2080 «Грин Пайн» засек пуск и передал параметры движения автоматической системе управления ПРО «Голден Цитрон», рассчитавшей перехват с выдачей данных стартовым комплексам ракетной базы Таль Шакар. Откуда взлетела двухступенчатая твердотопливная противоракета «Хец-3» («Стрела-3») и вывела в область перехвата кинетический перехватчик, оснащенный инфракрасным телескопом. Встреча с целью произошла на встречном курсе со скоростью сближения около шести километров в секунду и на высоте несколько ниже 100 километров.
Ракета «Хец-3». Фото: wikipedia
Многие сразу назвали это первым боевым перехватом в космосе, но данные по высоте разнятся, звучат оценки и 80 километров — тогда формально это не космический перехват.
С точки зрения физики среды и динамики полета для сближения и наведения разница высот 80 и 100 километров невелика и не влияет на перехват. Если это и не первый боевой в космосе, то все равно самый высотный боевой перехват.
Противоракета GBI разработки Boeing. Фото: wikipedia
А 12 декабря 2023 успешный испытательный заатмосферный перехват провели США. Ракета-мишень с параметрами движения ракет средней дальности была запущена с воздуха из района Гавайев. С базы Ванденберг на берегу Калифорнии, входящей в Западный ракетный полигон, взлетела противоракета GBI разработки Boeing. Она входит в наземную систему противоракетной обороны на срединном участке полета цели GMD и стоит на боевом дежурстве (и это пятый пример систем заатмосферного перехвата).
Трехступенчатая твердотопливная ракета длиной 17 метров и массой 13 тонн обладает высотой поражения до 2000 километров при удалении цели до 5500 километров. Ее заатмосферный кинетический перехватчик уничтожил цель в космосе на расстоянии 1000 километров от побережья Калифорнии.
Прототип кинетического перехватчика EKV ракеты GBI. Фото: wikipedia
Этот перехватчик стоит более детального взгляда. Изделие EKV от Raytheon имеет диаметр 0,6 метра, длину 1,4 метра и массу 64 килограмма. Он маневрирует с помощью системы сопел, работающих на сжатом азоте, используя электронно-оптическую систему наведения с комплексной защитой от подсветок. Его скорость исключительно высока — 10 километров в секунду. При встречном ударе по цели, имеющей собственную скорость в шесть-семь километров в секунду, итоговая скорость столкновения достигнет 16-17 километров в секунду.
Выделяемая энергия будет соответствовать взрыву тонны тротила. Она не только достаточна для поражения цели, но и испаряет ее фрагменты и осколки, практически не оставляя кусков, опасных для спутников. И это еще один интересный подход к перехвату в космосе.
«Еще одно, последнее сказанье, и летопись окончена моя»
В вопросы заатмосферного перехвата можно погружаться бесконечно; чем дальше, тем сложнее детали, но одновременно интереснее. Сбивать можно разным выбором технических решений, иногда выборы эти противоположны.
Мы постарались увидеть различия между возможными вариантами, а через них — объемность и широту области. Газ для сопел маневрирования может быть горячим пороховым и холодным азотом. Канал наблюдения цели — и тепловым, и электронно-оптическим, и радиолокационным. Длина и масса ракет отличаются в десятки раз; скорости перехватчиков, высота и дальность поражения в разы. И все это работает, воплощая самые разные замыслы разработчиков в конкретных изделиях.
Что дальше? Развитие перехватов, отработка новых идей, концепций и технических решений продолжается непрерывно и интенсивно. США могут вернуться к программе Multiple Kill Vehicle для нескольких кинетических перехватчиков в одной ракете: что раньше было малоэффективным, может стать эффективным на новом технологическом уровне. Или при широком появлении групповых целей — адаптации и распространении технологий разделяющихся боеголовок уже для ракет вроде «Скадов» и прочих оперативно-тактических ракетных комплексов и систем средней дальности. Израиль, обладатель целого ряда ракетных комплексов, продолжит развивать противоракетную оборону.
Ракетное оружие, выходящее за атмосферу, становится доступно все большему ряду стран-операторов. Поэтому разработка вариантов защиты от него будет лишь ускоряться. Какие новые подходы и технические системы реализуются для заатмосферного перехвата, в каких плоскостях и гранях задачи — покажет будущее.
