Технические науки

Как уже говорилось ранее, кинетическое оружие (КО) – это снаряды-перехватчики, направляемые на объекты космического базирования противника и уничтожающие их путем механического разрушения. Достаточно, чтобы относительная скорость снаряда и мишени была порядка км/с, так как при эффективной толщине снаряда порядка нескольких г/см ² удельный импульс, приходящийся на поверхность мишени, достигает 10 ⁵-10 ⁶ г/(см * с). Это более чем на порядок величины выше порога разрушения, который был определен нами ранее при рассмотрении импульсного воздействия лазеров на тонкостенные оболочки. Для космических траекторий характерны гораздо большие скорости , так что необходимые для разрушения скорости легко получить даже путем выбора геометрии столкновения.

Разрушение цели может произойти не только в результате прямого попадания снаряда (чисто кинетическое оружие). Можно уничтожить цель путем взрыва снаряда при его пролете неподалеку от цели. В этом случае снаряд снабжается взрывным устройством, которое срабатывает автономно в момент наибольшего сближения с целью или же по команде со стороны.

На основании опубликованных в американской печати данных можно привести следующую классификацию типов кинетического оружия: 1.

Снаряды-перехватчики с системой наведения (самонаведения), которые могут быть использованы в атмосфере или за ее пределами, не рассчитанные на прямое попадание в цель и снабженные фугасной или осколочной (шрапнельной) боевой частью (в частности, космические мины можно рассматривать как предельный случай снарядов этого типа);

Снаряды-перехватчики с системой наведения (самонаведения), рассчитанные на столкновение с целью.

Созданные в США ранее системы ПРО («Сейфгард» и «Сентинел») были построены на основе кинетического оружия второго типа – ракет-перехватчиков наземного базирования с высокой тяговооруженностью и ядерными боеголовками. Эти перехватчики предназначались для поражения атакующих баллистических ракет на конечном участке их траектории.

Средства КО в США рассматриваются как основной (если не единственный) тип оружия против ракет на конечном участке их траектории. По-видимому, этим объясняется высокая доля расходов, которую в рамках СОИ планируется выделить на развитие этих систем (на долю КО приходится около четверти всех затрат по программе СОИ).

Развитие техники после 60-х гг., когда разрабатывались системы «Сейфгард» и «Сентинел», привело к совершенствованию средств наведения и слежения. По программе ХОЭ (Хоминг Оверлей Эксперимент) были проведены испытания противоспутникового оружия на базе перехватчика, запускаемого с самолета F-15 – это оружие относится к системам КО третьего типа. Тем не менее системы КО второго типа – перехватчики с ядерными боеголовками – будут какое-то время оставаться неотъемлемой частью ПРО на конечном участке (например, для поражения боеголовок, обладающих возможностью маневрирования в атмосфере).

Рассмотрим возможности и особенности кинетического оружия системы ПРО на активном и баллистическом участках траектории атакующих ракет.

Для борьбы с атакующими ракетами на активном участке предполагается, по-видимому, использовать в основном системы КО третьего типа, причем самонаведение снарядов-перехватчиков должно осуществляться главным образом инфракрасными датчиками, реагирующими на свечение ракетных факелов.

Напомним, что атакующие ракеты проходят активный участок траектории за относительно небольшое время (порядка 100 с). Поэтому важ-

нейшей характеристикой перехватчика, в основном определяющей эффективный радиус поражения R, является его скорость относительно боевой станции:

где Т – время, выделяемое средствам КО для активных действий.

Следует отметить, что это время, вообще говоря, меньше длительности активного участка. Во-первых, перехватчик должен разогнаться до полной скорости, так что величина> вычитается из начального време-

ни. Во-вторых, есть еще одно затруднение. Место старта может быть закрыто облачностью (естественного или искусственного происхождения). Гарантированно можно обнаружить стартовавшую ракету лишь после того, как она выйдет на высоту около 10 км (выше облачного слоя). С учетом особенностей движения ракеты на активном участке время ее подъема на высоту 10 км (1/10-1/15 высоты активного участка) занимает 20-30% всего времени прохождения активного участка.

Если время, располагаемое кинетическим оружием для активных действий, положить равным 100 с, то конечная скорость перехватчика должна быть порядка 10 км/с, чтобы обеспечить радиус поражения 1000 км, сравнимый с поражающей способностью других типов оружия космического базирования. Минимально допустимая скорость составляет 3 – 4 км/с; она позволяет перехватчику подойти к границе атмосферы с орбиты высотой 400 км. В атмосфере скорость перехватчика гасится; кроме того, из-за аэродинамического нагрева перехватчика высока вероятность ослепления инфракрасных датчиков наведения.

Время прохождения баллистического участка боеголовками и ложными целями довольно велико – около 1000 с, что на порядок больше, нежели для активного участка.

Казалось бы, что большое время прохождения атакующими ракетами баллистического участка траектории может позволить иметь перехватчики с меньшей, чем для активного участка, скоростью, так как необходимая дальность поражения порядка тысяч км легко достигается за счет большого располагаемого времени перехвата. Это позволило бы использовать более легкие снаряды-перехватчики и значительно увеличить боезапас космической станции при одинаковой общей массе по сравнению со станциями, предназначенными для перехвата атакующих ракет на активном участке. Для БКС баллистического участка это очень важное соображение, так как количество целей на баллистическом участке возрастает по меньшей мере на порядок величины.

Боевые космические станции баллистического участка предполагается целесообразным размещать на высоте порядка 1000 км. При этом остается проблема перехвата на настильных траекториях, когда облако целей проходит на небольшой высоте (200 – 300 км) за сравнительно короткое время (около 100 с). В этом случае снаряды-перехватчики также должны иметь скорость порядка 10 км/с. Таким образом, боевая космическая станция должна иметь на борту некоторый запас снарядов с такой конечной скоростью.

Проведенный разбор типичных ситуаций, в которых можно использовать системы кинетического оружия, указывает на то, что к числу важнейших задач следует отнести обеспечение снаряду-перехватчику скорости около 10 км/с и выше. Для снарядов с самонаведением достаточна конечная масса порядка нескольких кг (в настоящее время масса таких снарядов достигает 15 кг). Отметим, что кинетическая энергия снаряда, имеющего массу 1 кг и скорость 10 км/с, составляет 50 МДж. Таким образом, энергозатраты кинетического оружия, в принципе, сравнимы с теми, что упоминались выше для лазерного и пучкового оружия.

Из имеющихся принципиальных возможностей придания массивным телам больших скоростей отметим следующие:

стрельба из артиллерийских орудий (набор скорости под давлением пороховых газов);

использование ракетного разгонного двигателя (набор скорости за счет силы тяги при сжигании ракетного топлива);

электромагнитное ускорение (набор скорости под действием давления магнитного поля или за счет электрического поля).

В артиллерийских системах предельная скорость определяется, в конечном счете, скоростью молекул пороховых газов – это около 3 км/с.

Для артиллерийских систем космического базирования возникнет проблема компенсации отдачи при выстреле, что потребует дополнительного расхода топлива в системе ориентации и стабилизации боевой космической станции. Это может также ограничить скорострельность.

Поскольку для артиллерийских систем характерна сравнительно небольшая скорость снаряда, а пороховое топливо довольно калорийно, масса топлива оказывается сравнительно небольшой (удельное энерговыделение твердых топлив порядка 4 кДж/г).

Параметры реактивного разгона снаряда могут быть получены из формулы Циолковского

(1.47)

где v – конечная скорость, сообщаемая массе полезной нагрузки m,

M – начальная масса перехватчика (М > т ), а v0 – скорость истечения газов из сопла двигателя. Для ракет на жидком топливе эта величина достигает 4,5 км/с. Но жидкие компоненты топлива считаются малопригодными для длительного хранения на боевых космических станциях в условиях космоса. В США обсуждаются практически лишь твердотопливные ракеты, для которых v() составляет 2,5 – 3,0 км/с.

Время разгона до конечной скорости зависит от тяги двигателей и массы перехватчика и может составлять от 10 до 100 с.

Проведем оценку энергетической эффективности перехватчика.

(1.48)

>

Значения функции> приведены в табл. 1.7.

Считается, что разумный предел скорости, получаемый посредством реактивного ускорения, составляет 6v0 (т.е. 15-18 км/с), поскольку КПД сходной по задачам электромагнитной системы ускорения оказывается также порядка 10%, но он не зависит от скорости снаряда.

Если в артиллерийских системах давление пороховых газов действует на снаряд весьма ограниченное время, то в электромагнитных системах, где используется принцип давления магнитного поля, длительность воздействия может быть значительно увеличена. Этим и определяется интерес к электромагнитным системам.

Наиболее простой пример электромагнитной ускоряющей системы – так называемый «рельсотрон», хорошо известный физикам-экспериментаторам уже десятки лет [1.20].

Идея рельсотрона (или электромагнитной пушки – «рейлгана») довольно проста (рис. 1.6). К двум параллельным (или коаксиальным) токонесущим шинам-рельсам прикладывается напряжение от источника питания.

Если замкнуть контур, поместив на шины, например, подвижную тележку, проводящую ток и обладающую хорошими контактами с шинами, то возникающий электрический ток индуцирует магнитное поле. Это поле создает давление Р, равное> , которое стремится раздвинуть проводники,

образующие контур. Массивные шины-рельсы закреплены. Единственным подвижным элементом является тележка, которая под действием давления начинает двигаться по рельсам так, чтобы объем, занимаемый магнитным полем, возрастал, т.е. по направлению от источника питания. Ускорение тележки будет продолжаться, пока действует магнитное давление. Предельная скорость, до которой разгонится тележка, определяется соотношением

(1.49)

где S – длина разгона, а – эффективное ускорение. Для его оценки вычислим давление магнитного поля. Положим H = 10 ⁵ Гс. Тогда Р = 4 х 10 ⁸ дин/см ² = 400 атм. Пусть эффективная толщина тележки равна 10 г/см ², тогда ускорение составит 4 * 10 ⁵ м/с ² или 4 * 10 ⁴g. При таких условиях скорость 10 км/с достигается на длине 125 м, а скорость 20 км/с – на длине в полкилометра. Если взять предельные значения, которые упоминаются в качестве конечной цели в докладе комиссии Флетчера – ускорение 10 ⁵g и скорость 20 км/с, – то им соответствует длина разгона 200 м.

Совершенствование электромагнитных пушек направлено на повышение конечной скорости. Увеличение линейных размеров до километро-

вых масштабов вряд ли возможно. Для увеличения ускорения необходимо либо повышение магнитного давления, либо уменьшение эффективной массы снаряда.

Увеличение давления магнитного поля не может быть безграничным – при давлениях порядка 1000 атмосфер (т.е. 150 – 160 кгаусс) достигается порог механической устойчивости. Подобную систему очень длинных шин, распираемых внутренним давлением, трудно сделать жесткой и прочной. Если механическую прочность еще можно попытаться обеспечить увеличением массы самих шин и вспомогательных силовых конструкций (что само по себе нежелательно, поскольку увеличивает пассивную массу, выводимую на орбиту), никакое увеличение массы не поможет против потери тепловой стойкости.

При длительности токового импульса порядка сотых долей секунды толщина скин-слоя в меди составляет 1 см. Магнитному полю 120 кгаусс в этом случае соответствует плотность тока 100 кА/см ². Это приводит к тепловым потерям в материале порядка 400 Дж/см ³ при длительности импульса тока 20 мс (медь нагревается до 120°С). При этом соответствующая плотность энергии магнитного поля равна 60 Дж/см ³. Расчеты показывают, что джоулевы потери близки к полной энергии, запасенной в магнитном поле, а последняя в точности равна кинетической энергии снаряда. Таким образом, КПД рельсотрона равен 1/3. С учетом того, что КПД источника электроэнергии не превышает 30%, полный КПД оказывается около 10%, как уже упоминалось выше.

Тепловой нагрев шин ограничивает скорострельность системы, а любое тепловое повреждение ухудшает воспроизводимость характеристик выстрелов.

Желательность уменьшения массы снаряда с целью увеличения его конечной скорости вступает в противоречие с необходимостью иметь перехватчики с довольно сложной системой самонаведения, масса которых не может быть уменьшена беспрепятственно.

Еще одним следствием больших токов, о которых речь шла выше, является то, что контактная тележка (сечение которой меньше сечения шин) должна расплавиться, испариться и частично превратиться в плазму. Такое плазменное облако становится своеобразным поршнем для снаряда, который должен быть электрически изолирован от плазмы. В связи с этим в последнее время все чаще упоминаются пластиковые снаряды для рельсотро-нов. Для обеспечения высокой скорострельности очень важен контакт такого плазменного облака с шинами.

Кроме того, существует проблема завершения разгона. Чтобы снаряд оторвался от плазменного поршня, последний должен исчезнуть или замедлиться. В рассмотренной простой схеме замедление невозможно, а для

исчезновения плазменного поршня требуется разрыв электрической цепи. Разрыв сильноточной электрической цепи, как известно, приводит к большим перенапряжениям и пробоям. В результате снаряд может получить дополнительный случайный импульс, обладающий перпендикулярной составляющей, что резко ухудшает угловую точность стрельбы.

Наконец, само движение плазменного поршня подвержено действию многочисленных плазменных неустойчивостей, которые трудно предусмотреть и устранить заранее.

Возможен бесконтактный способ ускорения, основанный на использовании, например, разновидности индукционного линейного мотора. В таком моторе замкнутый виток выталкивается в область с меньшим значением магнитного поля. Виток движется вдоль осевой линии цепочки внешних катушек, на которые поочередно в фазе с движением витка подается напряжение. Подобная система предлагалась, например, О'Нилом для так называемого «масс-драйвера» [1.21], который мог бы выбрасывать с лунной поверхности значительное количество вещества (до сотни кг за выстрел) и обеспечивал бы при этом высокую угловую точность (порядка микрорадиана). Недостатком такой системы является сравнительно небольшое эффективное ускорение (100g) и, следовательно, значительные линейные размеры (десятки км!).

И все же самой, пожалуй, серьезной проблемой для электромагнитных систем оказывается энергетика*. Типичными источниками энергии для

Таблица 1.8 Сравнительные характеристики различных систем

>

* Подробнее об этом см. в гл.З. – Прим.ред.

электромагнитных систем в настоящее время являются униполярные генераторы (маховики) с энергоемкостью до 10 Дж/г (10 МДж/т) [ 1 -22]. Если от системы требуется высокая скорострельность, то энергия должна запасаться заранее; при этом масса системы может составить до тысячи тонн (если не удастся существенно улучшить ее технические характеристики).

Итак, электромагнитным системам (с использованием давления магнитного поля) свойственны два основных недостатка:

значительные линейные размеры, что затрудняет перенацеливание (с учетом компенсации отдачи) и, следовательно, понижает скорострельность, а также увеличивает уязвимость;

непомерно большая масса энергосистем.

Поэтому электромагнитные системы, ориентированные пока что в основном на достижение «сверхскоростей», на современном уровне развития представляются малоподходящими для того, чтобы стать главным средством для запуска самонаводящихся перехватчиков (нужно учесть еще огромные перегрузки, свойственные таким системам; они могут затруднить создание соответствующих датчиков и исполнительных элементов).

Целесообразность применения индивидуальных баллистических перехватчиков такого типа, даже обладающих весьма высокой скоростью, пока представляется сомнительной, по крайней мере для больших дальностей поражения в связи с неопределенностью угловой точности стрельбы.

Ситуация может стать более благоприятной в условиях ближнего боя, если такие условия возникнут в космосе. Другая возможность связана с использованием «космической шрапнели» – облака сравнительно небольших металлических фрагментов, ускоряемых по направлению к цели и поражающих значительный объем пространства в районе цели (в этом случае требования к угловой точности не столь строги). Сравнение различных систем кинетического оружия проводится в табл. 1.8.