Экзоатмосферная машина-убийца

Raytheon

Военное искусство, как ни одно другое является наиболее ярким представителем постоянной борьбы меча и щита — любое действие рождает противодействие, и они постоянно борются друг с другом. Это было верно как в древности, так верно и сейчас. В этой статье мы попробуем рассмотреть достаточно любопытный образец для борьбы с ракетами, который был разработан в США и называется «экзоатмосферная машина-убийца».


Сразу хочу оговориться, что весь приведенный ниже материал является просто «интересной информацией» с точки зрения инженера и не относится к политике абсолютно никоим образом. При написании статьи таких целей себе совсем не ставил — просто попалась на глаза эта инфа и решил её раскрыть. Думаю, народу тоже будет интересно узнать что-то новое...

На каком-то этапе военная мысль пришла к тому, что для разрушительного воздействия по цели совсем необязательно использовать большое количество взрывчатых веществ, — для этого необходимо и достаточно использовать кинетический способ разрушения цели, то есть достаточно сильно ударить по ней.

Чтобы понять, насколько сложна эта задача, можно привести аналогию: ракета-перехватчик, по сути, является «пулей», которая должна попасть в другую пулю, летящую в бескрайнем космическом пространстве. Мало того, перехватчик должен функционировать на скоростях в 10 раз превышающих скорость выпущенных друг — друга пуль. Кроме того, не надо забывать и о том, что в процессе перехвата боеголовка должна быть выделена среди облака ложных целей.

Есть несколько вариантов перехвата боеголовки. Одним из наиболее перспективных представляется перехвата её в момент, когда она медленно поднимается в космос и только набирает свою скорость. Однако перехват на этой стадии достаточно сложен, так как согласно отчёту американского физического общества, разгон длится всего около порядка 2 минут для ракет на твёрдом топливе и порядка 3 минут для ракет на жидком топливе, поэтому для собственно перехвата остаётся очень мало времени.

Во время фазы, когда боеголовка уже падает сквозь атмосферу к своей цели – выделить её существенно проще, так как реальные боеголовки, в отличие от ложных целей, нагреваются быстрее и движутся сквозь атмосферу быстрее. Сложность работы на такой фазе заключается в том, что длится она порядка 30 секунд, что оставляет ещё меньше времени для работы по ней.

Именно поэтому, основным моментом для работы по боеголовкам, был выбран участок их движения в космосе, когда они находятся за пределами атмосферы.
Технически это весьма сложная задача: во-первых, как уже было сказано, необходимо выделить настоящее боеголовки среди облака ложных целей. После того как настоящая боеголовка выделена и окончательно идентифицирована (что возможно только на расстояниях порядка 10 км, так как на больших расстояниях боеголовки не распознаются датчиками на самой противоракете) — необходимо произвести соответствующее воздействие по цели.

Не забываем, что в данный момент ракета и противоракета движутся на больших скоростях и скорости сближения могут превышать 15 км в секунду. Это означает, что после того как противоракета идентифицировала боеголовку — у неё остаётся секунда или меньше того, чтобы соответствующим образом произвести корректировки своего курса и точно ударить!
Время на реакцию почти отсутствует!

На момент своей разработки подобные противоракеты испытывали основную сложность именно на этом моменте. И причиной была…Тряска! Она возникала из-за неравномерного сгорания тяговых двигателей противоракеты, ещё более усложняя задачу попадания в цель.

Это проблема больше относилась к первому поколению противоракеты. Следующие поколения уже были защищены от этой проблемы и инерциальные блоки наведения работали корректно.

Итак, что же представляла из себя такая противоракета?

«Экзоатмосферная машина-убийца» (Exoatmospheric Kill Vehicle (EKV) ), пионер боевых машин Raytheon, является компонентом перехвата наземного перехватчика (GBI).
В октябре 1990 года BMDO (Организация по противоракетной обороне) заключила три контракта на проектирование EKV с компаниями Martin Marietta (теперь Lockheed Martin), Hughes Missiles (теперь Raytheon) и Rockwell (теперь Boeing). Работа по существу продолжила исследования и испытания программ HOE (Homing Overlay Experiment) и ERIS (Exoatmospheric Reentry Interceptor Subsystem). В ходе первого отбора в 1995 году Мартин Мариетта выбыл из соревнований EKV. В ходе летных испытаний NMD IFT (Integrated Flight Test)-1 и IFT-2 (см. Также летные испытания ниже) были проверены конструкции ГСН Boeing и Raytheon EKV 24 июня 1997 г. и 16 января 1998 г. соответственно. После оценки результатов компания Raytheon была выбрана генеральным подрядчиком по разработке EKV для боевой ракеты GBI.


Raytheon

Raytheon EKV оснащен инфракрасной головкой самонаведения, состоящей из массивов в фокальной плоскости и узла охлаждения, прикрепленного к оптическому телескопу.

Программное обеспечение ГСН должно обнаруживать и отслеживать все приближающиеся объекты, отличать боеголовки от ложных целей и направлять EKV к лобовому столкновению с целью на скорости сближения более 25700 км/ч. Система маневрирования EKV, известная как DACS (система управления отклонением и ориентацией), имеет четыре ракетных двигателя вокруг корпуса машины. Маневровая платформа в сборе весит примерно 63 кг, имеет длину 140 см и диаметр около 60 см.

По своей сути, всё это устройство можно назвать «металлическим цилиндром с ракетным двигателем» — т.к. это наиболее полно будет отражать как его устройство, так и принцип кинетического воздействия на цель.


wikipedia.org

Для доставки на орбиту использовалась ракета-носитель Boeing COTS:


Ракета-носитель Boeing COTS (Фото: designation-systems.net)


Первоначальная концепция ракеты-носителя была разработана компанией Boeing и называлась ракетой-носителем COTS (Commercial Off-the-Shelf), поскольку в ней использовались разработанные и коммерчески доступные ступени ракеты. Это была трехступенчатая конструкция с первой ступенью ATK GEM-40VN и двумя разгонными блоками Pratt & Whitney (UTC) Orbus-1A. Однако разработка шла не так гладко, как ожидалось, и первый испытательный полет (обозначенный как BV-2; BV-1 был чисто наземным испытанием) произошел только 31 августа 2001 г. (с отставанием от графика на 18 месяцев).

Во время этого теста произошла аномалия первого этапа, которая могла помешать успешной попытке фактического перехвата. Во время второго летного испытания БВ (БВ-3) 13 декабря 2001 г. машина отклонилась от курса и должна была быть уничтожена. После этого дальнейшие летные испытания Boeing BV были отменены.

В марте 2002 г. была реструктурирована программа разработки бустеров GBI. Транспортное средство COTS от Boeing было передано компании Lockheed Martin Space Systems, которая разработала улучшенную версию, известную как BV-Plus. Кроме того, Orbital Sciences Corp. (OSC) получила контракт на создание альтернативного ускорителя (называемого OBV — Orbital Booster Vehicle) для GBI. Трехступенчатый аппарат OSC совершил свой первый успешный испытательный полет 6 февраля 2003 г., за которым последовал еще один (испытательный BV-6) 16 августа 2003 г. В ходе этих испытаний аппарат достиг высоты более 1770 км (1100 миль) и дальности полета более 5300 км (3300 миль). OBV базируется на трех верхних ступенях коммерческой ракеты-носителя Taurus XL.


Ракета-носитель OSC (Фото: designation-systems.net)

Первая попытка перехвата Raytheon EKV была предпринята во время полета IFT-3 2 октября 1999 года. Несмотря на отказ в IMU (инерциальный измерительный блок) EKV, макет боеголовки был успешно перехвачен.

Имеющееся видео тестовых испытаний блока EKV (тест зависания и позиционирования) – выглядит достаточно впечатляюще с технической точки зрения (и наводит на одну мысль – о ней ниже):



Судя по возможности работы маневровых двигателей EKV-блока в импульсном режиме (и оранжевому дыму) – в качестве топлива используется Несимметричный диметилгидразин (по понятным причинам, мы можем только гадать об этом – т.к. точная информация засекречена).

Согласно вики:

НДМГ, 1,1-диметилгидрази́н, кодовое название «гепти́л»[a]) — химическое вещество, производное гидразина, компонент высококипящего (имеющего температуру кипения выше 0 °C) ракетного топлива. В качестве окислителя в паре с НДМГ часто применяется тетраоксид диазота (АТ), чистый или в смеси с азотной кислотой, известны случаи применения чистой кислоты и жидкого кислорода. Для улучшения свойств может использоваться в смеси с гидразином, известной как аэрозин.

НДМГ — бесцветная или слегка желтоватая прозрачная жидкость с резким неприятным запахом, характерным для аминов (запах испорченной рыбы, схож с запахом аммиака, очень похож на запах шпрот), летучее вещество, температура кипения +63,1 °C.

Температура кристаллизации −57,78 °C, плотность 790 кг/м³[6]. Хорошо смешивается с водой, этанолом, большинством нефтепродуктов и многими органическими растворителями. Гигроскопичен, поглощает влагу из воздуха, что приводит к снижению удельной тяги двигателей (100 м/с на каждые 0,5 % воды в составе смеси).

Самовоспламеняется при контакте с окислителями на основе азотной кислоты и тетраоксида диазота, что упрощает конструкцию и обеспечивает лёгкий запуск и возможность многократного включения ракетных двигателей.

Взаимодействие НДМГ и его водных растворов с азотной кислотой протекает бурно. Воспламенение происходит до 50%-й концентрации водного раствора. Растворы меньшей концентрации реагируют с образованием соли азотной кислоты. НДМГ термически стабилен до +350 °C. В интервале +350…+1000 °C продуктами разложения являются аммиак, амины, синильная кислота, водород, азот, метан, этан, смолистые и другие вещества.
Используется в качестве топлива ракет с окислителем тетраоксидом диазота (АТ).

Хм…а что же представляет из себя этот второй компонент? А вот что:

Тетраоксид диазота (азотный тетраоксид, АТ, «амил») — вещество с формулой N2O4, преобладающее в жидкости, полученной охлаждением диоксида азота ниже точки кипения.

Это теоретически бесцветная, но на практике окрашенная в жёлто-коричневый цвет (обусловленный примесью мономерного диоксида азота) летучая ядовитая жидкость с едким запахом. Температура кипения при атмосферном давлении +21,15 °C, кристаллизации — −11 °C. В кристаллическом виде при температурах ниже −12 °C бесцветен.
В.П. Глушко в 1930 году предложил использовать N2O4 в качестве окислителя ракетного топлива.

С тех пор N2O4 широко применяется в ракетной технике в качестве высококипящего (некриогенного) окислителя ракетного горючего. По степени использования стоит на втором месте после жидкого кислорода.

В ракетных двигателях используется в паре с топливами на основе производных гидразина (метилгидразином, несимметричным диметилгидразином), в Вооружённых силах РФ именуется «амил».

На начальном этапе использовался в виде раствора в азотной кислоте из-за высокой температуры перехода в твёрдое состояние. В частности, он использовался на советских и российских РН «Космос», «Протон»; украинских «Циклон» (в виде АК-27И); американских — семейства «Титан»; французских — семейства «Ариан»; в двигательных установках пилотируемых кораблей, спутников, орбитальных и межпланетных станций.
Тетраоксид азота в паре с алкилгидразинами образует самовоспламеняющуюся топливную пару с периодом задержки воспламенения около 0,003 с.

К преимуществам пары НДМГ+АТ относятся:

• превосходит пару кислород + керосин и пару кислород + водород по плотности (1170 кг/м³ против 1070 кг/м³ и 285 кг/м³ соответственно), следовательно, требуются меньшие баки и конструкция оказывается компактнее;
• самовоспламеняемость при контакте топливных компонентов, что упрощает конструкцию двигателей и повышает их надёжность;
• ракета может быть заправлена топливом на долгий срок, что критично для ракет на боевом дежурстве или космических аппаратов в полёте.

К недостаткам НДМГ+АТ относятся:

• токсичность,
• канцерогенность,
• вероятность взрыва НДМГ в присутствии окислителя,
• меньший удельный импульс, чем у кислородно-керосиновой пары,
• НДМГ заметно дороже керосина, что существенно для больших ракет.

Таким образом, мы видим, что с очень большой долей вероятности используется именно эта пара топливо/окислитель для применения в рамках этого устройства (EKV).

Расчетная эффективность
Система имеет «вероятность поражения одиночным выстрелом» порядка 56%, при общей вероятности перехвата одиночной цели при запуске четырех перехватчиков, равной 97%. Каждый перехватчик EKV стоит примерно 75 миллионов долларов.

Тесты на перехват
С 2010 по 2013 год ни одно испытание на перехват не увенчалось успехом.
На 25 марта 2019 г. 11 из 20 (55%) испытаний на перехват на поражение были успешными.

Преемник EKV, известный как Redesigned Kill Vehicle (RKV), должен был дебютировать в 2025 году. Программа RKV, возглавляемая Boeing и ведущим субподрядчиком Raytheon, была отменена Министерством обороны США 21 августа 2019 года. Ранее в этом же году Пентагон издал приказ о прекращении работ по проекту после отсрочки рассмотрения проекта в декабре 2018 года из-за отказа критических компонентов, соответствующих техническим спецификациям.

И в завершение: а вот как выглядит вход боевых блоков межконтинентальной ракеты из космоса – в атмосферу (как говорится, «тьфу-тьфу и чур меня»):





P.S. Еще раз повторюсь, статья ни к чему не призывает и не обязывает, политических целей не ставит, — просто некая «познавательная страничка» на тему еще одной интересной инженерной машины, с освещением интересных моментов, с точки зрения инженера. И ничего сверх того!

Использованные источники:
1. www.wikipedia.org
2. www.designation-systems.net
3. www.globalsecurity.org
4. www.raytheonmissilesanddefense.com
5. www.missilethreat.csis.org
6. www.aerospaceamerica.aiaa.org