60 лет назад, 21 августа 1957 года, с космодрома Байконур была успешно запущена первая в мире межконтинентальная баллистическая ракета (МБР) Р-7. Это детище ОКБ-1 Сергея Королёва легло в основу целого семейства советских ракет-носителей, получившего прозвище «семёрка». Появление Р-7 позволило СССР разработать оружие сдерживания США и запустить первый искусственный спутник Земли. RT рассказывает об истории создания и значении первой в мире МБР.

Необходимость создания межконтинентальной баллистической ракеты была вызвана отставанием СССР в ядерной гонке. После победы во Второй мировой войне главной угрозой безопасности Советского Союза стала американская ракетно-ядерная программа.

В первой половине 1940-х годов США обзавелись не только атомной бомбой, но и стратегическими бомбардировщиками, способными её доставлять. На вооружении Штатов находился B-29 Superfortress (который сбросил бомбы на Хиросиму и Нагасаки), а в 1952 году появился B-52 Stratofortress, который мог долететь до любой точки СССР.

В середине 1950-х годов Советский Союз создал эффективный на тот момент носитель ядерного боезаряда. Параллельно с работой по проектированию первого стратегического бомбардировщика (Ту-16) усилия конструкторов были сосредоточены на разработке межконтинентальной баллистической ракеты. ОКБ-1 под руководством Сергея Королёва и другим институтам СССР удалось достичь на этом пути значительных успехов. Очень быстро советская конструкторская мысль отошла от копирования немецкой баллистической ракеты «Фау-2» и начала создавать уникальные образцы.

Испытанная 60 лет назад Р-7 стала своеобразным итогом более 10 лет напряжённого труда учёных и предметом гордости советских граждан. «Семёрка» стала технологическим фундаментом для появления ракет-носителей «Восток», «Восход», «Молния» и «Союз».

Невероятная задача

Конструирование ракеты Р-7 началось в ОКБ-1 в 1953 году, хотя постановление ЦК КПСС и Совета министров СССР о начале работ было опубликовано 20 мая 1954 года.

Королёву поручили создать МБР, способную нести термоядерный заряд на расстояние до 10 тыс. км.

12 апреля 1961 года Королёв вместе со своим коллективом осуществил успешный запуск космического корабля «Восток-1» с космонавтом Юрием Гагариным на борту.

12 апреля 1961 года Королёв вместе со своим коллективом осуществил успешный запуск космического корабля «Восток-1» с космонавтом Юрием Гагариным на борту

РИА Новости

Для испытаний Р-7 было необходимо создавать новую инфраструктуру. В 1955 году в казахстанских степях под руководством генерала Георгия Шубникова началось строительство Научно-исследовательского испытательного полигона №5, который позже превратится в космодром Байконур.

В середине 1956 года на Опытном заводе №88 в подмосковных Подлипках (сейчас - Королёв) были изготовлены три макета Р-7, а в декабре 1956 года - первое лётное изделие 8К71.

15 мая 1957 года произошло первое испытание Р-7. Спустя 98 секунд полёта ракета начала стремительно терять высоту и, преодолев около 300 км, упала. После серии неудачных тестов конструкторам удалось исправить недостатки.

Ракета Р-7, 1957 год / Официальный сайт РКК "Энергия" им. С. П. Королева

21 августа в 15:25 в небо поднялся образец Р-7, ракета пролетела 6 314 км. Это означало, что Советский Союз создал первую в мире МБР.

По общепринятой классификации, баллистическую ракету считают межконтинентальной, если её дальность превышает 5,5 тыс. км.

Образец Р-7 долетел до испытательного полигона «Кура» на Камчатке, но на высоте 10 км его головная часть разрушилась от термодинамических нагрузок. К концу 1958 года в конструкцию Р-7 было внесено свыше 95 изменений, которые позволили устранить все технические проблемы.

На вооружении

Серийное производство Р-7 стартовало в 1958 году на авиационном заводе №1 имени Сталина. Процесс принятия на вооружение ракеты затянулся из-за начавшегося строительства стартовой станции вблизи Плесецка (Архангельская область), на месте которой сейчас расположен космодром.

Длина Р-7 составляла 31,4 м. Масса ракеты превышала 280 тонн, при этом 250 тонн приходилось на топливо, 5,4 тонны - на головную часть. Заявленная дальность МБР - 8 тыс. км.

Сигналы с летящей ракеты принимались наземной станцией. Главный пункт радиоуправления «семёркой» состоял из двух больших павильонов и 17 грузовых автомобилей. Данные о боковом движении, скорости удаления МБР автоматически обрабатывались ЭВМ, которая посылала ракете команды.

Ракета доставлялась на полигон по железнодорожным путям в виде разобранных блоков. Время подготовки к запуску столь массивной конструкции могло превышать 24 часа. Усовершенствованные варианты Р-7 позволили сократить время подготовки к запуску, улучшить точность и повысить дальность до 12 тыс. км.

Основное достоинство Р-7 заключалось в её универсальности. Первая в мире МБР легла в основу конструкции множества ракет-носителей. Практически все отечественные ракеты, которые используются для запуска в космос, относятся к семейству Р-7 - королёвской «семёрке».

Сложно переоценить историческое значение первой межконтинентальной баллистической ракеты. Р-7 произвела настоящую научно-техническую революцию, плодами которой пользуется современная Россия.

4 октября 1957 года облегчённый вариант МБР вывел на орбиту первый искусственный спутник Земли.

3 ноября 1957 года Р-7 вывела на орбиту первое живое существо - собаку Лайку. А 12 апреля 1961 ракета-носитель «Восток» запустила в космос корабль «Восток-1», на борту которого находился Юрий Гагарин.

Баллистические ракеты были и остаются надежным щитом национальной безопасности России. Щитом, готовым, в случае необходимости, обернуться мечом.

Р-36М "Сатана"

Разработчик: КБ «Южное»
Длина: 33, 65 м
Диаметр: 3 м
Стартовый вес: 208 300 кг
Дальность полета: 16000 км
Советский стратегический ракетный комплекс третьего поколения, с тяжёлой двухступенчатой жидкостной, ампулизированной межконтинентальной баллистической ракетой 15А14 для размещения в шахтной пусковой установке 15П714 повышенной защищённости типа ОС.

«Сатаной» советский стратегический ракетный комплекс назвали американцы. На момент первого испытания в 1973 году эта ракета стала самой мощной баллистической системой, которая когда-либо была разработана. Ни одна система ПРО неспособна была противостоять SS-18, радиус поражения которой составлял аж 16 тысяч метров. После создания Р-36М, Советский Союз мог не беспокоится «гонки вооружений». Однако в 1980-ые «Сатана» был модифицирован, и в 1988 году на вооружение Советской армии поступила новая версия SS-18 - Р-36М2 «Воевода», против которой ничего сделать не могут сделать и современные американские ПРО.

РТ-2ПМ2. «Тополь-М»

Длина: 22,7 м
Диаметр: 1,86 м
Стартовый вес: 47,1 т
Дальность полета: 11000 км

Ракета РТ-2ПМ2 выполнена в виде трехступенчатой ракеты с мощной смесевой твердотопливной энергетической установкой и стеклопластиковым корпусом. Испытания ракеты начались в 1994 году. Первый пуск был проведён из шахтной пусковой установки на космодроме Плесецк 20 декабря 1994 года. В 1997 году, после четырёх успешных пусков начато серийное производство этих ракет. Акт о принятии на вооружение РВСН РФ межконтинентальной баллистической ракеты «Тополь-М» был утверждён Госкомиссией 28 апреля 2000 года. По состоянию на конец 2012 года, на боевом дежурстве находилось 60 ракет «Тополь-М» шахтного и 18 мобильного базирования. Все ракеты шахтного базирования стоят на боевом дежурстве в Таманской ракетной дивизии (Светлый, Саратовская область).

PC-24 «Ярс»

Разработчик: МИТ
Длина: 23 м
Диаметр: 2 м
Дальность полета: 11000 км
Первый запуск ракеты состоялся в 2007 году. В отличие от Тополя-М обладает разделяющимися боевыми частями. Помимо боевых блоков, Ярс также несет комплекс средств прорыва противоракетной обороны, что затрудняет противнику ее обнаружение и перехват. Такое нововведение делает РС-24 наиболее удачной боевой ракетой в условиях развертывания глобальной американской системы ПРО.

СРК УР-100Н УТТХ с ракетой 15А35

Разработчик: ЦКБ машиностроения
Длина: 24,3 м
Диаметр: 2,5 м
Стартовый вес: 105,6 т
Дальность полета: 10000 км
Межконтинентальная баллистическая жидкостная ракета 15А30 (УР-100Н) третьего поколения с разделяющейся головной частью индивидуального наведения (РГЧ ИН) была разработана в ЦКБ машиностроения под руководством В.Н.Челомея. Летно-конструкторские испытания МБР 15А30 проводились на полигоне Байконур (председатель госкомиссии - генерал-лейтенант Е.Б. Волков). Первый пуск МБР 15А30 состоялся 9 апреля 1973г. По официальным данным, на июль 2009 г. РВСН РФ имели 70 развернутых МБР 15А35: 1. 60-я ракетная дивизия (г. Татищево), 41 УР-100Н УТТХ 2. 28-я гвардейская ракетная дивизия (г. Козельск), 29 УР-100Н УТТХ.

15Ж60 "Молодец"

Разработчик: КБ «Южное»
Длина: 22,6 м
Диаметр: 2,4 м
Стартовый вес: 104,5 т
Дальность полета: 10000 км
РТ-23 УТТХ «Молодец» - стратегические ракетные комплексы с твёрдотопливными трёхступенчатыми межконтинентальными баллистическими ракетами 15Ж61 и 15Ж60, подвижного железнодорожного и стационарного шахтного базирования, соответственно. Явился дальнейшим развитием комплекса РТ-23. Были приняты на вооружение в 1987 году. На внешней поверхности обтекателя размещаются аэродинамические рули, позволяющие управлять ракетой по крену на участках работы первой и второй ступеней. После прохождения плотных слоев атмосферы обтекатель сбрасывается.

Р-30 "Булава"

Разработчик: МИТ
Длина: 11,5 м
Диаметр: 2 м
Стартовый вес: 36,8 т.
Дальность полета: 9300 км
Российская твёрдотопливная баллистическая ракета комплекса Д-30 для размещения на подводных лодках проекта 955. Первый запуск "Булавы" состоялся в 2005 году. Отечественные авторы часто критикуют разрабатываемый ракетный комплекс «Булава» за достаточно большую долю неудачных испытаний.Как утверждают критики, "Булава" появилась благодаря банальному желанию России сэкономить: стремление страны сократить расходы на разработку за счет унификации "Булавы" с сухопутными ракетами сделало ее производство дешевле, чем обычно.

Х-101/Х-102

Разработчик: МКБ «Радуга»
Длина: 7,45 м
Диаметр: 742 мм
Размах крыла: 3 м
Стартовый вес: 2200-2400
Дальность полета: 5000-5500 км
Стратегическая крылатая ракета нового поколения. Её корпус представляет собой низкоплан, однако имеет сплющенное поперечное сечение и боковые поверхности. Боевая часть ракеты весом в 400 кг может поражать сразу 2 цели на расстоянии 100 км друг от друга. Первая цель будет поражена боеприпасом, спускающимся на парашюте, а вторая непосредственно при попадании ракеты.При дальности полета на 5000 км показатель кругового вероятного отклонения (КВО) составляет всего 5-6 метров, а при дальности 10 000 км не превышает 10 м.

В котором отсутствует тяга либо управляющая сила и момент, называется баллистической траекторией. Если механизм, приводящий в действие объект, остается рабочим на протяжении всего времени передвижения - он относится к ряду авиационных либо динамических. Траекторию самолета во время полета с выключенными двигателями на большой высоте также можно назвать баллистической.

На объект, который передвигается по заданным координатам, действует лишь механизм, приводящий тело в действие, силы сопротивления и тяжести. Набор таких факторов исключает появление возможности к прямолинейному движению. Данное правило работает даже в космосе.

Тело описывает траекторию, которая подобна эллипсу, гиперболе, параболе либо окружности. Последние два варианта достигаются при второй и первой космических скоростях. Расчеты для движения по параболе или окружности проводятся для определения траектории баллистической ракеты.

Учитывая все параметры при запуске и полете (массу, скорость, температуру и т. д.), выделяют следующие особенности траектории:

• Для того чтобы запустить ракету как можно дальше необходимо подобрать правильный угол. Наилучшим является острый, около 45º .
• Объект имеет одинаковую начальную и конечную скорости.
• Тело приземляется под таким же углом, как и запускается.
• Время движения объекта от старта и до середины, а также от середины до финишной точки является одинаковым.

Свойства траектории и практические значения

Движение тела после прекращения влияния на него движущей силы изучает внешняя баллистика. Данная наука предоставляет расчеты, таблицы, шкалы, прицелы и вырабатывает оптимальные варианты для стрельбы. Баллистическая траектория пули - это кривая линия, которую описывает центр тяжести объекта, находящегося в полете.

Так как на тело влияют сила тяжести и сопротивления, путь, который описывает пуля (снаряд), образует форму кривой линии. Под действием приведенных сил скорость и высота объекта постепенно снижается. Различают несколько траекторий: настильную, навесную и сопряженную.

Первая достигается при использовании угла возвышения, который является меньшим, нежели угол наибольшей дальности. Если при разных траекториях дальность полета остается одинаковой - такую траекторию можно назвать сопряженной. В случае, когда угол возвышения больше, чем угол наибольшей дальности, путь приобретает название навесного.

Траектория баллистического движения объекта (пули, снаряда) состоит из точек и участков:

• Вылета (например, дульный срез ствола) - данная точка является началом пути, и, соответственно, отсчета.
• Горизонта оружия - этот участок проходит через точку вылета. Траектория пересекает ее дважды: при выпуске и падении.
• Участка возвышения - это линия, которая является продолжением горизонта образует вертикальную плоскость. Данный участок носит название плоскости стрельбы.
• Вершины траектории - это точка, которая находится посредине между начальной и конечной точками (выстрела и падения), имеет наивысший угол на протяжении всего пути.
• Наводки - мишень или место прицела и начало движения объекта образуют линию прицеливания. Между горизонтом оружия и конечной целью формируется угол прицеливания.

Ракеты: особенности запуска и движения

Различают управляемые и неуправляемые баллистические ракеты. На формирование траектории также влияют внешние и наружные факторы (силы сопротивления, трения, вес, температура, требуемая дальность полета и т.д).

Общий путь запущенного тела можно описать следующими этапами:

• Запуск. При этом ракета переходит в первую стадию и начинает свое движение. С этого момента и начинается измерение высоты траектории полета баллистической ракеты.
• Приблизительно через минуту запускается второй двигатель.
• Через 60 секунд после второго этапа запускается третий двигатель.
• Далее тело входит в атмосферу.
• В последнюю очередь происходит взрыв боевых головок.

Запуск ракеты и формирование кривой передвижения

Кривая передвижения ракеты состоит из трех частей: периода запуска, свободного полета и повторного входа в земную атмосферу.

Боевые снаряды запускаются с фиксированной точки переносных установок, а также транспортных средств (судов, субмарин). Приведение в полет продолжается от десятых тысячных секунд до нескольких минут. Свободное падение составляет наибольшую часть траектории полета баллистической ракеты.

Преимуществами запуска такого приспособления являются:

• Продолжительное время свободного полета. Благодаря этому свойству существенно уменьшается расход топлива в сравнении с другими ракетами. Для полета прототипов (крылатых ракет) используются более экономичные двигатели (например, реактивные).
• На скорости, с которой движется межконтинентальная орудие (примерно 5 тыс. м/с), перехват дается с большой сложностью.
• Баллистическая ракета в состоянии поразить цель на расстоянии до 10 тыс. км.

В теории путь передвижения снаряда - это явление из общей теории физики, раздела динамики твердых тел в движении. Относительно данных объектов рассматривается передвижение центра масс и движение вокруг него. Первое относится к характеристике объекта, совершающего полет, второе - к устойчивости и управлению.

Так как тело имеет программные траектории для совершения полета, расчет баллистической траектории ракеты определяется физическими и динамическими расчетами.

Современные разработки в баллистике

Поскольку боевые ракеты любого вида являются опасными для жизнедеятельности, главной задачей обороны является усовершенствование точек для запуска поражающих систем. Последние должны обеспечить полную нейтрализацию межконтинентального и баллистического оружия в любой точке движения. К рассмотрению предложена многоярусная система:

• Данное изобретение состоит из отдельных ярусов, каждый из которых имеет свое назначение: первые два будут оснащены оружием лазерного типа (самонаводящиеся ракеты, электромагнитные пушки).
• Следующих два участка оснащаются тем же оружием, но предназначенного для поражения головных частей оружия противника.

Разработки в оборонном ракетостроении не стоят на месте. Ученные занимаются модернизацией квазибаллистической ракеты. Последняя представлена как объект, имеющий низкий путь в атмосфере, но при этом резко изменяющий направление и диапазон.

Баллистическая траектория такой ракеты не влияет на скорость: даже на предельно низкой высоте объект передвигается быстрее, нежели обычный. Например, разработка РФ «Искандер» летит на сверхзвуковой скорости - от 2100 до 2600 м/с при массе 4 кг 615 г, круизы ракеты передвигают боеголовку весом до 800 кг. При полете маневрирует и уклоняется от противоракетной обороны.

Межконтинентальное оружие: теория управления и составляющие

Многоступенчатые баллистические ракеты носят название межконтинентальных. Такое название появилось неспроста: из-за большой дальности полета становится возможным перебросить груз на другой конец Земли. Основным боевым веществом (зарядом), в основном, является атомное либо термоядерное вещество. Последнее размещается в передней части снаряда.

Далее в конструкции устанавливается система управления, двигатели и баки с топливом. Габариты и масса зависят от требуемой дальности полета: чем больше расстояние, тем выше стартовый вес и габариты конструкции.

Баллистическую траекторию полета МБР отличают от траектории иных ракет по высоте. Многоступенчатая ракета проходит процесс запуска, затем на протяжении нескольких секунд движется вверх под прямым углом. Системой управления обеспечивается направления орудия в сторону цели. Первая ступень привода ракеты после полного выгорания самостоятельно отделяется, в этот же момент запускается следующая. При достижении заданной скорости и высоты полета ракета начинает стремительно двигаться вниз к цели. Скорость полета к объекту назначения достигает 25 тыс. км/ч.

Мировые разработки ракет специального назначения

Около 20 лет назад в ходе модернизации одного из ракетных комплексов средней дальности был принят проект противокорабельных баллистических ракет. Такая конструкция размещается на автономной пусковой платформе. Вес снаряда составляет 15 тонн, а дальность пуска - почти 1,5 км.

Траектория баллистической ракеты для уничтожения кораблей не поддается для быстрых расчетов, поэтому предугадать действия противника и устранить данное орудие невозможно.

Такая разработка имеет преимущества:

• Дальность пуска. Эта величина в 2-3 раза больше, нежели у прототипов.
• Скорость и высота полета делают боевое оружие неуязвимым для противоракетной обороны.

Мировые специалисты уверены в том, что оружие массового поражения все-таки можно обнаружить и нейтрализовать. Для таких целей используются специальные разведывательные заорбитные станции, авиацию, подводные лодки, корабли и др. Самым главным «противодействием» является космическая разведка, которая представлена в виде радиолокационных станций.

Баллистическая траектория определяется системой разведки. Полученные данные передаются по месту назначения. Основной проблемой является быстрое устаревание информации - за короткий период времени данные теряют свою актуальность и могут расходиться с настоящим местом нахождения оружия на расстояние до 50 км.

Характеристики боевых комплексов отечественной оборонной промышленности

Наиболее мощным оружием нынешнего времени считается межконтинентальная баллистическая ракета, которая размещается стационарно. Отечественный ракетный комплекс "Р-36М2" является одним из наилучших. На нем размещается сверхпрочное боевое орудие "15А18М", которое способно нести до 36 ядерных снарядов индивидуального точного наведения.

Баллистическую траекторию полета такого оружия практически невозможно предугадать, соответственно, нейтрализация ракеты также предоставляет сложности. Боевая мощность снаряда составляет 20 Мт. Если данный боеприпас взорвется на низкой высоте - системы связи, управления, противоракетной обороны выйдут из строя.

Модификации приведенной ракетной установки можно использовать и в мирных целях.

Среди твердотопливных ракет особенно мощной считается "РТ-23 УТТХ". Такое приспособление базируется автономно (мобильно). В стационарной станции-прототипе ("15Ж60") стартовая тяга выше на 0,3, в сравнении с мобильной версией.

Запуск ракет, который проводится непосредственно со станций сложно нейтрализовать, ведь количество снарядов может достигать 92 единиц.

Ракетные комплексы и установки заграничной оборонной промышленности

Высота баллистической траектории ракеты американского комплекса «Минитмен-3» не особо отличается от характеристик полета отечественных изобретений.

Комплекс, который разработан в США, является единственным «защитником» Северной Америки среди оружия такого вида до сегодняшнего дня. Несмотря на давность изобретения, показатели устойчивости орудия являются неплохими и в нынешнее время, ведь ракеты комплекса могли противостоять противоракетной обороне, а также поразить цель с высоким уровнем защиты. Активный участок полета непродолжительный, и составляет 160 с.

Другое изобретение американцев - «Пискипер». Он также мог обеспечить точное попадание в цель благодаря наивыгоднейшей траектории баллистического движения. Специалисты утверждают, что боевые возможности приведенного комплекса почти в 8 раз выше, нежели у «Минитмена». Боевое дежурство «Пискипера» составляло 30 секунд.

Полет снаряда и движение в атмосфере

Из раздела динамики известно влияние плотности воздуха на скорость передвижения любого тела в различных слоях атмосферы. Функция последнего параметра учитывает зависимость плотности непосредственно от высоты полета и выражается в зависимости:

Н (у) =20000-у/20000+у;

где у - высота полета снаряда (м).

Расчет параметров, а также траектории межконтинентальной баллистической ракеты можно производить с помощью специальных программ на ЭВМ. Последние приведут ведомости, а также данные о высоте полета, скорости и ускорении, продолжительности каждого этапа.

Экспериментальная часть подтверждает расчетные характеристики, и доказывает, что на скорость оказывает влияние форма снаряда (чем лучше обтекаемость, тем выше скорость).

Управляемое оружие массового поражения прошлого века

Все оружие приведенного типа можно разделить на две группы: наземное и авиационное. Наземным называется такие приспособления, запуск которых осуществляется со стационарных станций (например, шахт). Авиационное, соответственно, запускается с корабля-носителя (самолета).

К группе наземных относятся баллистические, крылатые и зенитные ракеты. К авиационным - самолеты-снаряды, АБР и управляемые снаряды воздушного боя.

Основной характеристикой расчета баллистической траектории движения является высота (несколько тысяч километров над слоем атмосферы). При заданном уровне над уровнем Земли снаряды достигают высоких скоростей и создают огромные сложности для их выявления и нейтрализации ПРО.

Известными БР, которые рассчитаны на среднюю дальность полета, являются: «Титан», «Тор», «Юпитер», «Атлас» и др.

Баллистическая траектория ракеты, которая запускается из точки и попадает по заданным координатам, имеет форму эллипса. Размер и протяженность дуги зависит от начальных параметров: скорости, угла запуска, массы. Если скорость снаряда приравнивается к первой космической (8 км/с), боевое орудие, которое запущено параллельно к горизонту, превратится в спутник планеты с круговой орбитой.

Несмотря на постоянное усовершенствование в области обороны, путь полета боевого снаряда практически не изменяется. На текущий момент технологии не в состоянии нарушить законы физики, которым подчиняются все тела. Небольшим исключением являются ракеты с самонаведением - они могут менять направление в зависимости от перемещения цели.

Изобретатели противоракетных комплексов также модернизируют и разрабатывают орудие для уничтожения средств массового поражения нового поколения.

Космический ракетный комплекс «ЗЕНИТ»

Баллистическими ракетами (в 50-х годах использовался термин «баллистические снаряды») называют такие ракеты, у которых траектория полета (за исключением начального участка, который ракета проходит с работающим двигателем) представляет собой траекторию свободно брошенного тела. После выключения двигателя ракета не управляется и движется подобно обычному артиллерийскому снаряду, а ее траектория зависит только от силы тяжести и аэродинамических сил и представляет собой так называемую «баллистическую кривую».

Баллистические ракеты обычно запускаются вертикально вверх или под углами, близкими к 90 градусам, что делает необходимым применение системы управления для вывода ракеты на расчетную траекторию поражения цели.

Чтобы баллистическая ракета могла пролететь сотни и тысячи километров, ей надо сообщить очень высокую скорость полета. Однако и при этом условии получить большую дальность было бы невозможно, если бы ракета совершала полет в плотных слоях атмосферы. Сопротивление воздуха быстро погасило бы ее скорость. Поэтому стратегические баллистические ракеты основной участок своей траектории проходят на очень большой высоте, где плотность воздуха мала, т. е. практически в безвоздушном пространстве.

Вертикальный запуск ракеты позволяет сократить время ее движения в плотных слоях атмосферы и тем самым уменьшить расход энергии на преодоление силы сопротивления воздуха. Через несколько секунд вертикального подъема траектория ракеты искривляется в сторону цели и переходит в наклонную. За счет работы двигателя скорость ракеты непрерывно возрастает вплоть до полного израсходования топлива или выключения (отсечки) двигателя. С этого момента и до падения на землю ракета движется по траектории свободно брошенного тела. Таким образом, траектория баллистической ракеты имеет два участка: активный - от начала взлета до прекращения работы двигателей и пассивный - от момента прекращения работы двигателей до достижения поверхности земли.

Ракеты А-4 на стартовой позиции

Активный участок может быть в свою очередь разделен на отрезки. Баллистическая ракета дальнего действия стартует вертикально с пускового устройства и в течение нескольких секунд движется прямо вверх. Этот участок полета назван стартовым. Далее начинается выведение ракеты на траекторию. Ракета отклоняется от вертикали и, описывая дугу на участке выведения, выходит на последний наклонный участок (участок выключения), на котором происходит отсечка двигателей. Дальнейшая траектория ее полета определяется кинетической энергией, запасенной на активном участке, и может быть точно рассчитана.

Описав эллиптическую дугу вне атмосферы, баллистическая ракета или отделившаяся головная часть ракеты вновь входит в атмосферу, имея практически ту же кинетическую энергию и тот же угол наклона траектории к горизонту, что и при выходе из нее.

Введение

Механика (греч. μηχανική – искусство построения машин) – раздел физики, наука, изучающая движение материальных тел и взаимодействие между ними; при этом движением в механике называют изменение во времени взаимного положения тел или их частей в пространстве.

«Механикой в широком смысле этого слова называется наука, посвящённая решению любых задач, связанных с изучением движения или равновесия тех или иных материальных тел и происходящих при этом взаимодействий между телами. Теоретическая механика представляет собою часть механики, в которой изучаются общие законы движения и взаимодействия материаль­ных тел, то есть те законы, которые, например, справедливы и для движения Земли вокруг Солнца, и для полёта ракеты или артиллерийского снаряда и т.п. Другую часть механики составляют различные общие и специальные технические дисциплины, посвящённые проектированию и расчёту всевозможных конкретных сооружений, двигателей, механизмов и машин или их частей (деталей)». 1

К специальным техническим дисциплинам можно отнести и предлагаемую вам для изучения Механику полета [баллистических ракет (БР), ракет-носителей (РН) и космических летательных аппаратов (КА)]. РАКЕТА – летательный аппарат, движущийся вследствие отбрасывания высокоскоростных горячих газов, создаваемых реактивным (ракетным) двигателем. В большинстве случаев энергия для движения ракеты получается при сгорании двух или более химических компонентов (горючее и окислитель, которые вместе образуют ракетное топливо) или при разложении одного высокоэнергетического химического вещества 2 .

Основной математический аппарат классической механики: дифференциальное и интегральное исчисление, разработанное специально для этого Ньютоном и Лейбницем. К современному математическому аппарату классической механики относятся, прежде всего, теория дифференциальных уравнений, дифференциальная геометрия, функциональный анализ и др. В классической формулировке механика базируется на трёх законах Ньютона. Решение многих задач механики упрощается, если уравнения движения допускают возможность формулировки законов сохранения (импульса, энергии, момента импульса и других динамических переменных).

Задача исследования полета беспилотного ЛА в общем случае очень сложная, т.к. например, ЛА с фиксированными (неподвижными) рулями, как всякое твердое тело имеет 6 степеней свободы и его движение в пространстве описывается 12 дифференциальными уравнениями I-го порядка. Траектория полета реального ЛА описывается значительно большим количеством уравнений.

Ввиду чрезвычайной сложности исследования траектории полета реального ЛА, обычно ее разбивают на ряд этапов и исследуют каждый этап в отдельности, переходя от простых к сложным.

На первом этапе исследования можно рассмотреть движение ЛА, как движение материальной точки. Известно, что движение твердого тела в пространстве можно разделить на поступательное движение центра масс и вращательное движение твердого тела вокруг собственного центра масс.

Для изучения общей закономерности полета ЛА в некоторых случаях при определенных условиях можно не рассматривать вращательное движение. Тогда движение ЛА можно рассматривать, как движение материальной точки, масса которой равна массе ЛА и к которой приложены сила тяги, тяжести и аэродинамического сопротивления.

Следует заметить, что даже при такой упрощенной постановке задачи в ряде случаев приходится учитывать моменты сил, действующих на ЛА и потребные углы отклонения органов управления, т.к. в противном случае невозможно установить однозначную зависимость, например, между подъемной силой и углом атаки; между боковой силой и углом скольжения.

На втором этапе исследуются уравнения движения ЛА с учетом его вращения вокруг собственного центра масс.

Задачей является исследование и изучение динамических свойств ЛА, рассматриваемого как элемент системы уравнений, при этом главным образом интересуются реакцией ЛА на отклонение органов управления и влияние на ЛА различных внешних воздействий.

На третьем этапе (наиболее сложном) проводят исследование динамики замкнутой системы управления, которая включает в себя наряду с другими элементами и сам ЛА.

Одной из основных задач является исследование точности полета. Точность характеризуется величиной и вероятностью отклонения от требуемой траектории. Для изучения вопросов точности управления движением ЛА необходимо составить систему дифференциальных уравнений, которая бы учитывала все силы и моменты. действующие на ЛА, и случайные возмущения. В результате получают систему дифференциальных уравнений высокого порядка, которые могут быть нелинейными, с правильными частями, зависящими от времени, со случайными функциями в правых частях.

Классификация ракет

Ракеты обычно классифицируются по типу траектории полёта, по месту и направленности запуска, по дальности полёта, по типу двигателя, по типу боеголовки, по типу систем управления и наведения.

В зависимости от типа траектории полёта различают:

– Крылатые ракеты. Крылатые ракеты - это беспилотные управляемые (до момента поражения цели) летательные аппараты, которые поддерживаются в воздухе большую часть своего полёта за счёт аэродинамической подъёмной силы. Главной целью крылатых ракет является доставка боевого заряда к цели. Они движутся в атмосфере Земли, используя реактивные двигатели.

Межконтинентальные баллистические крылатые ракеты могут подразделяться в зависимости от их размера, скорости (дозвуковая или сверхзвуковая), дальности полёта и места запуска: с земли, воздуха, поверхности корабля или подводной лодки.

В зависимости от скорости полёта ракеты подразделяются на:

1) Дозвуковые крылатые ракеты

2) Сверхзвуковые крылатые ракеты

3) Гиперзвуковые крылатые ракеты

Дозвуковая крылатая ракета движется со скоростью ниже скорости звука. Она развивает скорость, соответствующую числу Маха М = 0,8 … 0,9. Широко известной дозвуковой ракетой является американская крылатая ракета ’Томагавк". Ниже приведены схемы двух российских дозвуковых крылатых ракет, стоящих на вооружении.

Х-35 Уран – Россия

Сверхзвуковая крылатая ракета движется со скоростью около М=2 …3, то есть преодолевает за секунду расстояние приблизительно в 1 километр. Модульная конструкция ракеты и её способность запускаться под различным углом наклона, позволяют запускать ее с различных носителей: военные корабли, подводные лодки, различные типы самолётов, мобильные автономные установки и пусковые шахты. Сверхзвуковая скорость и масса боеголовки обеспечивает ей высокую кинетическую энергию удара (например, Оникс (Россия) она же Яхонт – экспортный вариант; П-1000 Вулкан; П-270 Москит; П-700 Гранит)

П-270 Москит – Россия

П-700 Гранит – Россия

Гиперзвуковая крылатая ракета движется со скоростью М > 5. Многие страны работают над созданием гиперзвуковых крылатых ракет.

– Баллистические ракеты . Баллистическая ракета – это ракета, имеющая баллистическую траекторию на большей части пути её полета.

Баллистические ракеты подразделяются по дальности полёта. Максимальная дальность полёта измеряется по кривой вдоль поверхности земли от места запуска и до точки нанесения удара последним элементом боевого заряда. Баллистические ракеты могут запускаться с морских и наземных носителей.

Место старта и направленность запуска определяют класс ракеты:

Ракеты класса "земля-земля". Ракета класса "земля-земля"– это управляемый снаряд, который можно запускать с рук, транспортного средства, мобильной или стационарной установки. Она приводится в движение ракетным двигателем или иногда, если используется стационарная пусковая установка, выстреливается при помощи порохового заряда.

В России (и ранее в СССР) ракеты класса «земля-земля» разделяют также по назначению на тактические, оперативно-тактические и стратегические. В других странах по назначению ракеты класса «земля-земля» делят на тактические и стратегические.

Ракеты класса "земля-воздух". Ракета класса "земля-воздух" запускается с поверхности земли. Предназначена для поражения воздушных целей, таких, как самолёты, вертолёты и даже баллистические ракеты. Эти ракеты обычно входят в систему ПВО, так как они отражают любой вид воздушной атаки.

Ракеты класса "земля-море". Ракета класса "поверхность (земля) -море" предназначена для запуска с земли для поражения кораблей противника.

Ракеты класса "воздух-воздух". Ракета класса "воздух-воздух" запускается с авиационных носителей и предназначена для поражения воздушных целей. Такие ракеты имеют скорость до М = 4.

Ракеты класса "воздух-поверхность (земля, вода)". Ракета класса "воздух-поверхность" предназначена для запуска с авиационных носителей для удара, как по наземным, так и по надводным целям.

Ракеты класса "море-море". Ракета класса "море-море" предназначена для запуска с кораблей для поражения кораблей противника.

Ракеты класса "море-земля (побережье)". Ракета класса "море-земля (прибрежная зона)" предназначена для запуска с кораблей по наземным целям.

Противотанковые ракеты. Противотанковая ракета предназначена главным образом для поражения тяжёлобронированных танков и другой бронетехники. Противотанковые ракеты могут запускаться с самолётов, вертолётов, танков, а также с устанавливаемых на плечо пусковых установок.

По дальности полёта баллистические ракеты разделяют на:

ракеты ближнего радиуса действия;

ракеты среднего радиуса действия;

баллистические ракеты средней дальности;

межконтинентальные баллистические ракеты.

В международных соглашениях с 1987 года применяется другая классификация ракет по дальности полета, хотя никакой общепринятой стандартной классификации ракет по дальности нет. Различные государства и неправительственные эксперты применяют разные классификации дальностей ракет. Так в договоре о ликвидации ракет средней и малой дальности принята следующая классификация:

баллистические ракеты малой дальности (от 500 до 1000 километров).

баллистические ракеты средней дальности (от 1000 до 5500 километров).

межконтинентальные баллистические ракеты (свыше 5500 километров).

По типу двигателя от вида топлива:

твёрдотопливный двигатель или ракетные двигатели твердого топлива;

жидкостный двигатель;

гибридный двигатель – химический ракетный двигатель. Использует компоненты ракетного топлива в разных агрегатных состояниях – жидком и твёрдом. В твердом состоянии может находиться как окислитель, так и горючее.

прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД);

ПВРД со сверхзвуковым горением;

криогенный двигатель – использует криогенное топливо (это сжиженные газы, хранящиеся при очень низкой температуре, чаще всего жидкий водород, используемый в качестве топлива, и жидкий кислород, используемый в качестве окислителя).

Тип боеголовки:

Обычная боеголовка. Обычная боеголовка наполняется химическими взрывчатыми веществами, взрыв которых происходит от детонации. Дополнительным поражающим фактором являются осколки металлической обшивки ракеты.

Ядерная боеголовка.

Межконтинентальные ракеты и ракеты средней дальности часто используют в качестве стратегических, их оснащают ядерными боеголовками. Их преимуществом перед самолётами является малое время подлёта (менее получаса при межконтинентальной дальности) и большая скорость головной части, что сильно затрудняет их перехват даже современной системой ПРО.

Системы наведения:

Электродистанционное наведение. Эта система в целом похожа на радиоуправление, но менее восприимчива к электронным средствам противодействия. Командные сигналы подаются по проводам. После запуска ракеты связь ее с командным пунктом прекращается.

Командное наведение. Командное наведение включает в себя слежение за ракетой с места запуска или носителя и передачу команд по радио, через радар или лазер или по тончайшим проводам и оптическим волокнам. Слежение может осуществляться при помощи радара или оптических устройств с места запуска или через радарное или телевизионное изображение, передаваемое с ракеты.

Наведение по наземным ориентирам. Система корреляционного наведения по наземным ориентирам (или по карте местности) применяется исключительно в отношении крылатых ракет. Система использует чувствительные высотомеры, при помощи которых отслеживается профиль рельефа местности, непосредственно находящийся под ракетой, и который сравнивается с "картой", заложенной в памяти ракеты.

Геофизическое наведение. Система постоянно измеряет угловое положение ЛА по отношению к звёздам и сравнивает его с запрограммированным углом движения ракеты по предполагаемой траектории. Система наведения даёт информацию системе управления, всякий раз, когда требуется внести коррективы в траекторию полёта.

Инерциальное наведение. Система запрограммирована до старта и полностью хранится в «памяти» ракеты. Три акселерометра, установленные на подставке, стабилизированной в пространстве гироскопами, производят замеры ускорений по трём взаимно перпендикулярным осям. Эти ускорения затем дважды интегрируются: первое интегрирование определяет скорость ракеты, а второе – её положение. Система управления настроена на сохранение заранее заданной траектории полета. Эти системы используются в ракетах класса "поверхность-поверхность (земля, вода)" и крылатых ракетах.

Наведение по лучу. Используется наземная или располагающаяся на корабле радарная станция, которая сопровождает своим лучом объект поражения. Информация об объекте поступает в систему наведения ракеты, которая при необходимости корректирует угол наведения в соответствии с движением объекта в пространстве.

Лазерное наведение. При лазерном наведении лазерный луч фокусируется на цели, отражается от неё и рассеивается. В ракете находится лазерная головка самонаведения, которая способна определить даже незначительный источник излучения. Головка самонаведения задаёт направление по отражённому и рассеянному лазерному лучу системе наведения. Ракета запускается в направлении цели, головка самонаведения ищет лазерное отражение, а система наведения направляет ракету к источнику лазерного отражения, который и является целью.

Боевое ракетное оружие принято классифицировать по следующим параметрам:

принадлежности к видам ВС – сухопутные войска, морские войска, воздушные силы;

дальности полета (от места применения до цели) – межконтинентальное (дальность пуска - более 5500 км), средней дальности (1000–5500 км), оперативно-тактической дальности (300-1000 км), тактической дальности (менее 300 км);

физической среде применения – от места старта (земля, воздух, надводное, подводное, подледное);

способу базирования – стационарное, подвижное (мобильное);

характеру полёта – баллистическое, аэробаллистическое (с крыльями), подводное;

среде полета – воздушное, подводное, космическое;

типу управления – управляемое, неуправляемое;

целевому назначению – противотанковое (противотанковые ракеты), противосамолетное (зенитная ракета), противокорабельное, противорадиолокационное, противокосмическое, противолодочное (против подводных лодок).

Классификация ракет-носителей

В отличие от некоторых горизонтально-стартующих авиационно-космических систем (АКС), ракеты-носители используют вертикальный тип старта и (много реже) воздушный старт.

Количество ступеней.

Одноступенчатых ракет-носителей, выводящих полезную нагрузку в космос, до настоящего времени не создано, хотя имеются проекты различной степени проработки («КОРОНА», HEAT-1X и другие). В некоторых случаях как одноступенчатая может классифицироваться ракета, имеющая в качестве первой ступени воздушный носитель либо использующая в качестве таковой ускорители. Среди баллистических ракет, способных достичь космического пространства, немало одноступенчатых, в том числе и первая баллистическая ракета «Фау-2»; однако ни одна из них не способна выйти на орбиту искусственного спутника Земли.

Расположение ступеней (компоновка). Конструктивное исполнение ракет-носителей может быть следующим:

продольная компоновка (тандемная), у которой ступени расположены одна за другой и работают в полёте поочерёдно (РН «Зенит-2», «Протон», «Дельта-4»);

параллельная компоновка (пакетная), при которой несколько блоков, расположенных параллельно и относящихся к разным ступеням, работают в полёте одновременно (РН «Союз»);

• условно-пакетная компоновка (т. н. полутораступенчатая схема), в которой используются общие топливные баки для всех ступеней, от которых питаются стартовые и маршевые двигатели, запускающиеся и работающие одновременно; по завершении работы стартовых двигателей сбрасываются только они.

комбинированная продольно-поперечная компоновка.

Используемые двигатели. В качестве маршевых двигателей могут использоваться:

жидкостные ракетные двигатели;

твёрдотопливные ракетные двигатели;

различные комбинации на разных ступенях.

Масса полезной нагрузки. В зависимости от массы полезного груза ракеты-носители делятся на следующие классы:

ракеты сверхтяжёлого класса (больше 50 тонн);

ракеты тяжелого класса (до 30 тонн);

ракеты среднего класса (до 15 тонн);

ракеты лёгкого класса (до 2-4 тонн);

ракеты сверхлёгкого класса (до 300-400 кг).

Конкретные границы классов меняются с развитием техники и являются достаточно условными, в настоящее время лёгким классом считаются ракеты, выводящие на низкую опорную орбитугруз массой до 5 т, средними - от 5 до 20 т, тяжёлыми - от 20 до 100 тонн, сверхтяжёлыми - свыше 100 т. Появляется также новый класс так называемых «нано-носителей» (полезная нагрузка – до нескольких десятков кг).

Повторное использование. Наибольшее распространение получили одноразовые многоступенчатые ракеты, как пакетной, так и продольной компоновки. Одноразовые ракеты отличаются высокой надёжностью благодаря максимальному упрощению всех элементов. Следует уточнить, что одноступенчатой ракете для достижения орбитальной скорости теоретически необходимо иметь конечную массу не более 7-10 % от стартовой, что при даже существующих технологиях делает их труднореализуемыми и экономически неэффективными из-за низкой массы полезного груза. В истории мировой космонавтики одноступенчатые ракеты-носители практически не создавались –существовали только т. н. полутораступенчатые модификации (например, американской РН «Атлас» со сбрасываемыми дополнительными стартовыми двигателями). Наличие нескольких ступеней позволяет существенно увеличить отношение массы выводимой полезной нагрузки к начальной массе ракеты. В то же время многоступенчатые ракеты требуют отчуждения территорий для падения промежуточных ступеней.

Ввиду необходимости применения высокоэффективных сложных технологий (прежде всего, в области двигательных установок и теплозащиты), полностью многоразовых ракет-носителей пока не существует, несмотря на постоянный интерес к этой технологии и периодически открывающиеся проекты разработки многоразовых носителей (за период 1990-2000-х годов – такие, как: ROTON, Kistler K-1, АКС VentureStar и др.). Частично многоразовой являлась широко использовавшаяся американская многоразовая транспортная космическая система (МТКС)-АКС «Спейс шаттл» («Космический челнок») и закрытая советская программа МТКС «Энергия –Буран», разработанная, но так и не использованная в прикладной практике, а также ряд нереализованных бывших (например, «Спираль», МАКС и др. АКС) и вновь разрабатываемых (например, «Байкал-Ангара») проектов. Вопреки ожиданиям, «Спейс шаттл» не смог обеспечить снижение стоимости доставки грузов на орбиту; кроме того, пилотируемые МТКС характеризуются сложным и длительным этапом предстартовой подготовки (из-за повышенных требований по надёжности и безопасности при наличии экипажа).

Присутствие человека. Ракеты для пилотируемых полётов должны обладать большей надёжностью (также на них устанавливается система аварийного спасения); допустимые перегрузки для них ограничены (обычно не более 3-4,5 единиц). При этом сама ракета-носитель является полностью автоматической системой, выводящей в космическое пространство аппарат с людьми на борту (это могут быть как пилоты, способные осуществлять непосредственное управление аппаратом, так и так называемые «космические туристы»).