В прошлой части мы рассмотрели компоновки и примерное устройство одноступенчатых ракет. Теперь время рассмотреть многоступенчатые ракеты: определения, рисунки, какие они бывают и так далее.
Прежде чем перейти наконец к двухступенчатой ракете, ещё нужно обговорить что вообще понимают под ступенью и ракетным блоком.
По Феодосьеву [1], одному из столпов отечественной ракетной техники и автору основополагающей для современных студентов и работников книги, ступень определяется как совокупность всей ракеты на участке полета, на котором изменение массы происходит только за счёт опустошения топливных баков [1]. То же, что привычно называется ступенью, на самом деле является ракетным блоком – крупным конструктивным элементом, отбрасываемым при переходе к следующей ступени. Таким образом, ступень – понятие баллистическое, а ракетный блок – конструктивно-компоновочное.
Но при этом в книге Варфолоеева-Копытова [3] ступень определяется тем самым «бытовым» образом, аналогично определению ракетного блока [1]. Правда такое определение, видимо, нигде в самой технической литературе не прижилось. Мне в бытовой речи оно нравится больше, но, чтобы в будущем не отсылать любого возникающего комментатора к какой-то старой статье, буду пользоваться Феодосьевским.
Многоступенчатость также можно классифицировать по взаимной компоновке ракетных блоков. Самые простые и распространённые – это тандем — также известная как поперечного деления (потому что делится поперёк главной продольной оси), и так называемая схема пакет, она же продольного деления (вдоль главной продольной оси). акже существуют комбинации обоих схем. Бывают и смешанные схемы, ниже;
Можно также упомянуть более редкие экстравагантные схемы.
По первой схеме с рисунка была реализована первая американская межконтинентальная баллистическая ракета SM-65 Atlas. На третьем рисунке показан проект УР-700 (1 и 2 ступень) и изначальный план Falcon 9 Heavy. Переливание топлива между ступенями позволяет повысить эффективность, но технически это сложно реализовать. Для РДТТ это, по очевидным причинам, невозможно.
Для полноты картины следует еще сказать об американской классификации ступеней. У них есть дополнение, что ракетные блоки, работающие в пакете и отбрасываемые раньше центрального, не считаются полноценной ступенью, а идут в «нулевую» ступень и называются бустерами (ускорителями).
Двухступенчатая ракета
Итак, продолжим с двухступенчатой ракетой.
При переходе от чистой абстракции к практической постановке сразу возникаетвопрос: какое между ними должно быть распределение? То есть как, например, при заданной стартовой массе разделить эту массу между ступенями. Опять же не вдаваясь в выводы формул, можно доказать, что, при одинаковых массовых совершенствах и удельных импульсах, наибольшую суммарную характеристическую скорость обеспечит такое распределение масс, при котором все ступени дают одинаковую характеристическую скорость. Допущения, конечно, весьма грубые, но это даёт общую мысль от чего идти. Кроме того, если у одной из ступеней какой-либо из этих параметров оказывается лучше, то баланс масс будет смещаться в сторону этой ступени.
При принятых допущениях естественным путём возникает геометрическая прогрессия масс ступней – каждая следующая ступень будет примерно в x-раз тяжелее (или легче) предыдущей, и т.д. Например, у представленной на рисунке ракете, вторая ступень примерно в 3 раза легче первой, если бы была третья – она была бы ещё примерно в те же 3 раза легче второй.
Формулы для масс ракеты, ракетного блока и т.д. останутся такими же, но теперь записывать эти соотношения необходимо для каждой ступени. Так для первой ступени стартовая масса будет совпадать со стартовой массой всей ракеты, а её полезной нагрузкой фактически будет стартовая масса второй ступени. Полная характеристическая скоростью будет суммой развиваемых ступенями скоростей.
Иногда на последнюю твердотопливную ступень ставят так называемые отсечные окна или отсечные сопла. Их задача состоит в том, чтобы в нужный момент в конце АУТ вскрыть собственно эти самые окна/сопла и либо резко погасить горение (окна; гашение заряда происходит из-за резкого падения давления), либо создать противотягу, большую тяги основного сопла (отсечные сопла). Это нужно для компенсации существования фундаментальных разбросов характеристик РДТТ и выведения ПН именно с нужной скоростью. Однако при прочих равных это несколько затяжеляет двигатель.
Жидкостным ракетам подобные ухищрения не нужны – там можно сравнительно простым способом выключить двигатель, прекратив подавать в него компоненты.
ДУ 3 ступени РТ-2 [6].
Ещё один достойный упоминания фактор – существуют так называемые частные производные, к примеру, максимальной дальности до какому-либо параметру. Смысл в этих производных совсем простой – насколько и в какую сторону изменится максимальная дальность при изменении заданного параметра на единицу. Например, если частная производная максимальной дальности по массе конструкции второй ступени равна -10, то это означает что дальность упадёт на 10 км при увеличении соответствующей массы на 1 кг/
И во всех реальных ситуациях эти производные на последующей ступени в несколько раз больше чем на предыдущей. Именно поэтому улучшения какой-либо из последних ступеней, при прочих равных, даёт наибольший результат.
Разделение ступеней
Далее, можно оговорить как непосредственно производится разделение ступеней. В целом, для этого необходимо разорвать механическую связь между ступенями, развести ступени и гарантированно запустить двигатель следующей ступени.
Исходно самым простым способом было применение пироболтов в соединении ступеней. Пироболт – это по сути обычный болт, но имеющий в стержневой части выемку, заполненную небольшим количеством взрывчатого вещества ВВ. Такой болт закручивается в резьбовое соединение двух деталей (но только со специальными «карманами» под выход осколков), а по сигналу разрушается и освобождает соединённые детали.
1 – ВВ.
Ранние боевые блоки в принципе отделялись такими же пироболтами. Они дают какой-то незначительный импульс блоку, но точность выведения тех ракет всё равно была много хуже. С ростом точности выведения ПН произошёл переход на так называемые безмоментные замки.
Существует большое количество способов разделения но достоин упоминания ещё один распространённый уже в наше время – деление сплошных оболочек при помощи детонирующего удлинённого заряда (ДУЗ). Его работа основана на принципе концентрирования энергии взрыва при наличии в заряде взрывчатки сужающейся выемки. Если кто знаком с кумулятивными боеприпасами из военного дела – это оно самое.
Разница только в том, что тут ВВ незначительное количество, а кумулятивная полость сформирована не конической поверхностью как у снаряда, а клинообразной и протяжённой (симметрия относительно плоскости вместо оси). В итоге при детонации получившегося шнура формируется высокоскоростной кумулятивный нож из внутренней облицовки заряда, который разрезает материал перед собой.
Ракета, к слову, символизирует МБР «Курьер». Лебединая песня советского ракетостроения.
Также необходимо отвести друг от друга разделённые элементы и обеспечить включение двигателя. Второй вопрос актуален т.к. при простейшем устройстве топливного бака жидкостной ракеты при нулевых или отрицательных перегрузках топливо перестаёт прижиматься к топливозаборнику на нижнем днище, и возникает опасность засосать в двигатель паровой пузырь (что очень плохо).
Эти задачи можно решать разными способами, но в целом они определяются так называемыми схемами разделения ступеней. Первое – бывает «холодная» схема. Это когда между выключением двигателя предыдущей ступени (и отделению ракетного блока) и включением двигателя следующей ступени существует пауза. Если ракета с ЖРД, то (помимо некоторых конкретных конструкция двигателя и баков) необходимо тем или иным способом обеспечить следующей ступени хотя бы небольшое положительное ускорение – обычно небольшими вспомогательными разгонными РДТТ. Так было сделано на одной из ступеней Saturn V Также это актуально если нужно включить двигатель в космосе после большой паузы. Ракете с РДТТ же негативное ускорение не мешает включаться.
P – тяга, t – время полёта, τ – пауза между работой ДУ первой и второй ступени.
1 – тяга ДУ первой ступени, 2 – тяга ДУ второй ступени.
«Горячая» схема – это когда двигатель следующей схемы включается ещё до выключения и отделения предыдущей ступени. При этом необходимо обеспечить свободный выход продуктов сгорания из межступенного отсека и защитить от разрушения верхнее днище предыдущей ступени. И т.к. в такой схеме нет момента без положительных перегрузок, то для этих целей не нужно ставить разгонные РДТТ. По такой схеме реализовано разделение второй и третьей ступеней большей части модификаций Р-7 – и в т.ч. поэтому между ними ферменный соединительный отсек, позволяющий свободно выходить наружу продуктам сгорания топлива.
И наконец бывает «тёплая» схема – это когда «горячее» разделение производится с малой тягой двигателя верхней ступени. За счёт либо двигателя с промежуточной тягой на этом участке, либо за счёт отдельных двигателей малой тяги, например рулевых. Так было реализовано на УР-100.
1 – тяга рулевого двигателя второй ступени.
Иногда для нормального разделения также необходимо добавлять тормозные двигатели на отбрасываемую ступень.
Всё вышеописанное актуально для деления ракет схем тандем. Для пакетной включение двигателя и отделение ступеней не представляет проблемы, к тому же зачастую все двигатели там включаются сразу, как пример – ракета Р-7. Собственно это одна из причин почему там выбрали такую схему – нет необходимости решать сложную на те года проблему старта двигателя в полёте. Те же измышления актуальны для SM-65 Atlas, кроме того что там не полноценная двухступенчатая схема, а полутораступенчатая.
Боевая ступень
И под конец, рассмотрим ещё одну схему ракеты.
ГО – головной обтекатель
Изменения по части ракеты, в контексте того что я хочу рассказать, не принципиальные. Добавилась ещё одна ступень, но это пока не важно. Действительно важные преобразования произошли с головной частью.
Вместо одиночного боевого блока стоит боевая ступень БС, уже на которой стоит множество боевых блоков. Совокупность ББ и элементов средств преодоления противоракетной обороны (СП ПРО) называется боевым оснащением (БО) ракеты. Единичный элемент боевого оснащения (например ББ) называют боевым элементом БЭ.
Боевая ступень, также называемой ступенью разведения, доводочной ступенью, а на западе «автобус/bus» и post-boost vehicle, – это небольшая ступень, которая обеспечивает коррекцию промаха ракеты, разведение и наведение с высокой точностью БЭ на одну или несколько независимых целей. Боевая ступень в общем виде состоит из двигательного отсека, приборного отсека (где, как правило, консолидируется система управления всей ракеты), платформы боевого оснащения и самого БО.
Ракета с такой БС называется ракетой с разделяющейся головной частью индивидуального наведения (РГЧ ИН).
Почему-то именно вокруг боевых ступеней больше всего мифов и недопониманий, больше разве что про сами ядерные заряды. Им постоянно приписывают использование системой управления невероятно сложной математики с кватернионами (подвид комплексных чисел с тремя разными мнимыми числами), хотя на самом деле они там для более простой записи углов поворота. Подобно как одиночный угол можно записать как e^(i π x). Кватернионы также для тех же целей используются в компьютерной графике.
А у одного автора не то на варспоте, не то на вархеде я вычитал что на боевой ступени могут быть «руки», которыми она при неудачном сбросе ББ может его слегка пододвинуть. Зачем исходно нужна такая БС, которая криво кидает ББ, история умалчивает. Чёрти что в общем. Но это мнение автора.
Боевые ступени могут иметь радикально-разные компоновки, но конкретно представленную здесь можно описать как БС толкающего типа с одним маршевым двигателем МД и двигателями малой тяги ДМТ. МД осуществляет затратные по характеристической скорости перенацеливания БС, а ДМТ (имеющие соответственно названию тягу в 20-50 раз меньше) обеспечивают ориентацию, стабилизацию и отведение БС от отделившегося БЭ. Оба типа двигателей многократного включения и работают импульсно (т.е. с паузами).
Толкающий тип означает что маршевые участки перенацеливания БС проводит с помощью МД, а ББ смотрят по направлению движения, и потом она (БС) разворачивается и отделяет ББ при помощи ДМТ.
На рисунках представлена разделяющаяся головная часть с блоками индивидуального наведения – РГЧ ИН. В данном случае с шестью ББ. Вообще говоря, это один из самых совершенных видов боевых ступеней, раньше были и более простые, но про них и их эволюцию можно поговорить потом.
Отмечу что участок компенсации промаха носителя нужен только для твердотопливных ракет без узлов отсечки тяги. Если эти узлы на РДТТ есть, или если ракета жидкостная, то БС в конце работы последней маршевой ступени уже сразу оказывается нацелена на точку сброса первого ББ.
БС разносит блоки по целям, и допустимое взаимное расположение целей для одной ракеты ограничивается энергетическими возможностями БС. Для оценки способности одной ракеты с РГЧ ИН «накрыть» некую площадь с точечными целями вводится понятие зоны разведения. Разумеется, в реальности она сильно зависит от конкретного расположения целей и распределения БЭ по ним, но для оценки обычно применяют две модельные задачи – это либо разведение по узлам правильного многоугольника, вписанного в круг некоторого радиуса [7], либо разведение ББ по узлам прямоугольника с соотношением сторон 2×1 [5].
R – радиус зоны разведения, L – размеры зоны разведения по направлению дальности стрельбы, B – зона разведения по боковому манёвру.
Стоит упомянуть и пару других примечательных особенностей ракеты с рисунка выше в сравнении с предыдущими одно- и двухступенчатой.
Первое – на ракете появился головной обтекатель ГО. Он предназначен для прикрытия полезной нагрузки от набегающего потока и обеспечения минимально-возможного при заданных ограничениях аэродинамического сопротивления. В контексте живучести ракеты он имеет ещё несколько значений, но это лучше обобщить потом.
Важная деталь – масса ГО входит в состав той ступени, в течении работы (или сразу после окончания) которой происходит его отделение. Так, на ракете с примера масса ГО, не смотря на то что физически он находится на РБ третьей ступени, относится ко второй ступени.
Второе – система управления всей ракетой консолидирована в ПО БС, следовательно вся её масса уходит в массу ПН и не входит в состав ракетных блоков. Это не универсальное правило для любых ракет, СУ может быть распределённой по ступеням, когда её отдельные элементы стоят на конкретной ступени. Это позволяет немного улучшить массовое совершенство верхних и боевой ступеней, но усложняет обслуживание ракеты.
Ну и на сегодня всё. В следующий раз подробнее поговорим про полезные нагрузки баллистических ракет, какие они бывают, как работают и какие у каждого вида особенности.
Информация о произведении
Автор: Антон Серебров
Редактор, факт-чекер: Максим Падалка
Условия использования: свободное некоммерческое использование при условии указания людей участвовавших в его создании и ссылку на первоисточник (статьи на действующем сайте интернет-журнала «Стройка Века»).
Для коммерческого использования — обращаться на почту:
buildxxvek@gmail.com
Список литературы:
[1] Феодосьев В.И. Основы техники ракетного полета 2-е издание / Феодосьев В.И. – Москва: «Наука», 1979. – 496 с.
[2] Основы проектирования летательных аппаратов. Учебник для технических вузов / Мишин В.П., Безвербый В.К., Панкратов Б.М. под ред. В.П. Мишина – Москва: изд. Машиностроение, 1985. – 360 с., ил.
[3] Проектирование и испытания баллистических ракет / под ред. В.П. Варфоломеева и М.И. Копытова – Москва: Военное издательство минобороны СССР, 1970. – 392 с.
[4] Николаев Ю.М. Инженерное проектирование управляемых баллистических ракет с РДТТ / Соломонов Ю.С. – Москва: Военное издательство минобороны СССР, 1979. – 240 с.
[5] Николаев Ю.М. Основы проектирования твердотопливных управляемых баллистических ракет часть 2 / Соломонов Ю.С. – Москва: изд. МГТУ, 2000. – 140 с.
[6] Управляемые энергетические установки на твёрдом ракетном топливе / В.И. Петренко, М.И. Соколовский, Г.А. Зыков и др. под общей редакцией М.И. Соколовского и В.И. Петренко – Москва: «Машиностроение», 2003 – 464 с., ил.
[7] Усолкин Ю.Ю. Проектирование головных частей баллистических ракет: Учебное пособие. – Челябинск: изд. ЮУрГУ, 2005 – 41 с.