Авиационный ракетный комплекс «Кинжал» относится к новейшему поколению российского ракетного оружия, работающего на гиперзвуковых скоростях. Входящая в состав комплекса ракета 9-С-7760 способна выполнять полеты по аэробаллистической траектории. Попробуем разобраться, что это за траектория и в чем ее преимущества.
Камень, брошенный рукой или посланный из рогатки, движется по баллистической траектории. Ее «рисуют» две силы: основную кривую формирует гравитационная сила, а подправляет ее сила аэродинамического сопротивления воздуха. Без воздуха траектория окажется симметричной перевернутой параболой.
Сопротивление воздуха постоянно снижает скорость, делая кривую несимметричной, с более крутой нисходящей частью. Так летит пуля: к верхней точке траектории она поднимается более полого, а после нее падает все отвеснее, что сокращает дальность полета. Подобно пуле летит и баллистическая ракета.
Однако действие воздуха может как уменьшить, так и, наоборот, значительно увеличить путь. Для этого ракета должна создать аэродинамическую подъемную силу. Каким образом Ракета – оперенное заостренное сверхзвуковое «бревно». Ее хвостовые воздушные рули могут поворачиваться, становясь в потоке под углом атаки. Тогда сверхзвуковой поток сжимается на них, повышая давление и создавая управляющую силу, которая поворачивает корпус ракеты на угол атаки во встречном потоке.
Идеальным носителем для аэробаллистической ракеты оказался высотный перехватчик МиГ-31. Правда, под новое оружие его пришлось доработать.
Возникает газодинамическое сверхзвуковое сжатие на стороне ракеты, повернутой к потоку. Ее обтягивает зона повышенного давления, складывающегося в подъемную силу, – это поддерживает снаряд, замедляя снижение. Подъемную силу можно наклонить на любой угол, тогда она изогнет траекторию влево или вправо. Управляя величиной и направлением подъемной силы, выполняют маневры.
Три варианта траектории, три эшелона высоты
Можно использовать подъемную силу для максимального увеличения расстояния полета ракеты. В этом случае траектория растянется в направлении движения. Она останется баллистической, сохранив основную кривую с восходящим и нисходящим участками, но с большим вкладом аэродинамической подъемной силы.
Траекторию можно сделать и горизонтальной на заданной высоте – например, 10–12 км. Здесь подъемная сила в точности равна весу ракеты и не дает ей снижаться. Для этого необходим больший угол атаки, чем в полубаллистическом варианте, что вызовет увеличение аэродинамического сопротивления и уменьшение энергии движения ракеты. Полет пройдет в воздушных слоях средней плотности, не затрагивая разреженные высоты, – это снизит скорость ракеты и прилично уменьшит ее дальность, зато повысит точность попадания по сравнению с полубаллистическим вариантом.
Наконец, можно пустить ракету по маловысотному профилю полета, с огибанием выступов рельефа. Такой вариант потребует постоянного интенсивного маневрирования с набором высоты в «горках» для прохода возвышенностей. Полет будет коротким, втрое меньше полубаллистического, но зато скрытным и потому, возможно, более эффективным.
Подытожим: полет аэробаллистической ракеты сочетает в себе элементы баллистической траектории и аэродинамического маневрирования. Такие сочетания способны обеспечить высокую скорость снаряда, точность попадания и защиту от ПРО противника.
Конструкция оперенного «бревна»
Внешне аэробаллистические ракеты похожи на реактивный боеприпас «Катюши» – длинный оперенный снаряд с пороховым двигателем и боевой частью. На этом, правда, сходство заканчивается. Ракета – сложное техническое устройство, с множеством систем и подсистем.
Сверхзвуковые скорости полета (М = 3 и выше), заходящие в гиперзвуковые значения (М > 5), нагревают сжимаемый поток до 1000 °С. Для защиты от нагрева корпус имеет толстый, не менее 2 см, слой теплозащитного покрытия, который заодно выполняет функцию радиопоглощения, снижая радиолокационную заметность ракеты. Аэродинамические рули делают из стали или титана, а их передние кромки – из жаропрочного сплава вольфрама и кобальта. Жаропрочными сделаны и газодинамические рули, вставленные в реактивную струю двигателя.
Твердотопливный двигатель иногда имеет две топливные секции, каждая со своей системой воспламенения, зажигаемые по очереди. Первая секция с обширной поверхностью горения действует мощно и недолго, с большой тягой и ускорением разгоняя ракету до рабочих скоростей. Вторая может запускаться после участка полета без тяги и выгорает медленнее, поддерживая крейсерскую скорость ракеты.
Cистема управления полетом содержит инерциальный навигационный блок, который знает пространственную скорость, ее величину и направление, а также текущие координаты ракеты.
Система управления сравнивает измеренные и программные данные для каждой секунды, определяя величину расхождений. И командует рулям, как довернуть ракету в потоке, как сместить ее в пространстве, чтобы привести положение к расчетному. Навигационная информация поступает и по другим каналам – от радиовысотомера, систем ГЛОНАСС и GPS, радиолокационной или оптической головки самонаведения.
Наконец, боевая часть с системой управления подрывом – компактное термоядерное устройство весом 200–400 кг. Экипаж самолета-носителя перед пуском может выбрать уровень мощности и задействовать только ядерную часть тактической мощностью 17–20 кт или термоядерную ступень заряда стратегической мощностью 150–300 кт. Система управления подрывом сопряжена с системой управления полетом и взорвет заряд в нужный момент близко к целевой точке в пространстве.
Немного истории
В 1970-е годы в СССР была создана аэробаллистическая ракета Х-15. Цилиндр с заостренным обтекателем пятиметровой длины имел массу 1,1 т и дальность полета до 280 км и был оснащен ядерной БЧ 300 кт. На вооружение Х-15 была принята в 1980 году, а ее носителями стала «большая тройка» – Ту-22, Ту-95 и Ту-160.
Из чего сковали «Кинжал»
Преимущества аэробаллистической ракеты наиболее очевидны при большой стартовой скорости и высоте носителя, поэтому здесь нужен высотный и скоростной самолет. Лучший кандидат на сегодня – истребитель МиГ-31. Его максимальная высота полета составляет 20–21 км при скорости порядка 2500 км/ч, или 700 м/с (М = 2,35). Грузоподъемность МиГ-31 достигает нескольких тонн, что позволяет взять ракету на борт.
Ракеты, летящие по аэробаллистическим траекториям, запускают и с земли, – например, 9М723 тактического комплекса «Искандер». МиГ-31 поднять ее тоже способен: длина ракеты составляет 7,3 м, диаметр – 0,92 м, масса – 3,8 т.
При пуске с самоходной пусковой установки скорость ракеты в конце разгонного участка равна 2100 м/с, увеличиваясь в дальнейшем падении до 2600 м/с и снижаясь у цели до 700–800 м/с. В баллистическом варианте полета траектория может подниматься выше 100 км; в аэробаллистическом большая ее часть проходит на высоте около 50 км, при этом активно используется аэродинамика разреженной атмосферы.
За счет подъемной силы аэробаллистическая ракета не только увеличивает свою дальность. Снаряд использует ее также для противоракетного маневрирования. Чем энергичнее маневрирование и выше его перегрузки, тем сложнее перехват, требующий от противоракеты в разы больших перегрузок. Для аэробаллистической ракеты рост создаваемых перегрузок означает увеличение аэродинамических потерь и снижение скорости, для поддержания которой нужна тяга двигателя либо расход высоты. Поэтому маневрирование строится как баланс между противоракетной эффективностью и потерей энергии движения.
Для создания авиационного ракетного комплекса пришлось адаптировать и самолет, и ракету. При переоборудовании для подвески столь тяжелой ракеты МиГ-31 лишился другого вооружения и получил новое обозначение – МиГ-31К. У ракеты же изменили хвостовой отсек, снабдив обтекателем и дополнительными стабилизаторами, доработали геометрию передней части корпуса. Авиационному варианту ракеты присвоили обозначение 9-С-7760 (согласно другим источникам – Х47М2). А авиационный ракетный комплекс в целом назвали «Кинжал».
Стратосферный пуск ракеты экономит две части энергии ее полета: снижает гравитационные потери, возникающие при подъеме на эту высоту, и аэродинамические потери на прохождение плотных слоев атмосферы. Эти две неизрасходованные части реализуются в прибавку скорости после выключения двигателя. Из-за большого веса ракеты ее запускают не с максимальной высоты полета истребителя, а ниже, примерно с 15 км. Откуда она, отделившись и отойдя вниз от самолета-носителя, начинает набор высоты и разгон в направлении цели.
Важна и добавка скорости самолета. Итоговая скорость ракеты после выключения двигателя оказывается намного выше, чем при пуске с земли; авиационный ракетный комплекс серьезно увеличивает возможности ракеты. «Кинжал» превращается в меч дальнобойностью в тысячи километров.
Преобладающую часть пути ракета проходит со скоростями М > 5, активно используя аэродинамическую подъемную силу для формирования траектории и маневрирования. Эти два момента позволяют называть ее гиперзвуковой, хотя гиперзвукового прямоточного двигателя у ракеты нет. По данным СМИ, она разгоняется до 3 км/с (порядка М = 10).
Точное попадание, или скрытая работа математики
Точность ракеты при поражении точечных целей может достигать нескольких метров. Для этого применяют оптическую головку самонаведения и корреляционно-экстремальный метод. В ракету загружаются фотографии местности вокруг цели, сделанные со спутника или беспилотника. Головка самонаведения распознает местность, и ракета переходит в режим самонаведения. Система управления сравнивает эталонное изображение местности с наблюдаемым – степень совпадения этих двух изображений называется корреляцией.
По мере приближения к цели компьютер вычисляет, какие коррекции полета увеличат корреляцию до максимума, и система управления дает соответствующие команды рулям.
Переход на самонаведение ценен также работой по цели, сместившейся за время полета ракеты. Именно поэтому «Кинжал» способен атаковать не только стационарные цели, но и движущиеся, например идущие корабли. При оснащении термоядерной боевой частью ракета в состоянии уничтожить авианосец или линкор, не говоря уже о кораблях поменьше.
