CC BY
51ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 629.7
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО КАЧЕСТВА НА ДАЛЬНОСТЬ ПОЛЁТА БОЕВОГО БЛОКА РАЗДЕЛЯЮЩЕЙСЯ
ГОЛОВНОЙ ЧАСТИ
Гордиенко Вячеслав Сергеевич, студент; Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова,
Санкт-Петербург, РФ
В статье исследуется влияние аэродинамического качества боевого блока разделяющейся головной части на его траекторию и дальность полёта. Описывается преимущество использования аэродинамического качества над применением реактивной тяги для достижения максимальной дальности полёта. Приводится график зависимости дальности полёта боеголовки от аэродинамического качества и график зависимости дальности полёта от угла входа боевого блока в плотные слои атмосферы.
Ключевые слова: боевой блок; баллистическая ракета; аэродинамическое качество; боеголовка; аэродинамическое сопротивление; подъемная сила; атмосфера; дальность полёта; влияние.
RESEARCH OF AERODYNAMIC QUALITY INFLUENCE ON THE FLIGHT RANGE OF DIVIDED WARHEADS WAR BLOCK
Gordienko Vyacheslav Sergeevich, student, BTSU «VOENMEH» named after D.F. Ustinov, Saint-Petersburg, Russian Federation
The article provides research of aerodynamic quality influence on the flight range and trajectory of divided warheads war block. It describes advantages of using aerodynamic quality rather than jet thrust for reaching maximum flight range. It describes dependency graphs of warheads flight range and aerodynamic quality and graphs of how war blocks atmospheric entry angle affects flight range. Keywords: warhead; ballistic missile; aerodynamic quality; war block; aerodynamic drag; lifting force; atmosphere; flight range; influence.
Для цитирования: Гордиенко В.С. Исследование влияния аэродинамического качества на дальность полёта боевого блока разделяющейся головной части // Наука без границ. 2019. №. 8(36). С. 10-14.
Разделяющаяся головная часть является одним из видов головных частей межконтинентальных баллистических ракет. Она имеет ряд преимуществ перед моноблочной головной частью. Основное отличие такой боеголовки в том, что под её обтекателем находятся несколько боевых блоков, благодаря которым при запуске одной ракеты появляется возможность поражения нескольких целей. Также рассматриваемая боевая часть может нести в себе не только боеголовки, но и тяжёлые ложные цели для повышения вероятности прохождения противоракетной обороны.
Для увеличения дальности полёта боевого блока целесообразно пытаться достичь положительных результатов за счёт планирования боеголовки в атмосфере, а не с помощью реактивной тяги. Это объясняется тем, что для реализации первого варианта не потребуется дополнительная двигательная установка на каждый боевой блок с топливом для её работы. Благодаря этому появляется возможность улучшить многие параметры баллистической ракеты. Так, например, в отсутствие дополнительных двигательных установок уменьшится масса ракеты как на массу самих установок, так и на массу топлива ступеней ракеты, за счёт которого вся эта система будет выведена на нужную высоту и обеспечена нужной
скоростью. Также пропадёт необходимость поиска места для их размещения, что позволит уменьшить габариты ракеты. В конечном счёте, все вышеописанные факторы положительно скажутся на стоимости ракеты. Планировать в воздухе боевому блоку, тем самым увеличивая свою дальность полёта, позволяет ненулевое аэродинамическое качество.
Аэродинамическое качество - это отношение коэффициентов подъёмной силы и лобового сопротивления. То есть отношение силы, благодаря которой летательный аппарат поддерживается в атмосфере к силе, затраченной на преодоление препятствия движению боевой части в воздухе.
Полёт тела в атмосфере происходит не только за счёт силы тяжести, но и за счёт подъемной силы, действующей на тело. Коэффициент подъёмной силы летательного аппарата можно изменять с помощью смещения центра тяжести относительно центра масс, таким образом, изменив угол атаки боевого блока за счёт добавления дополнительных аэродинамических поверхностей; а также благодаря изменению формы летательного аппарата, например, используя биконическую головную часть.
В проводимом исследовании рассматривается последний способ. Внешний вид боевого блока представлен на рис. 1.
Рис. 1. Несимметричный боевой блок
Изменение аэродинамического качества в такой конструкции может происходить за счёт варьирования значения угла между осями вращения конусов. Например, для увеличения аэродинамического качества угол соответственно должен уменьшаться.
Отсчёт траектории полёта боевого блока производится с высоты в 95 километров. Считается, что атмосфера начинает оказывать влияние на полёт тела на высоте примерно равной 95 км. То есть на высоте более 95 километров отсутствует воздух, и движение боеголовки происходит в вакууме только за счёт силы тяжести. Также в качестве начальных данных задаём скорость входа в атмосферу 7023 м/^ угол входа -21,83 градуса, масса блока равняется 240 кг, площадь миделя 0,04 м2, коэффициент аэродинамического сопротивления равен 0,5. Коэффициент аэродинамического качества изменяем в пределах от 0 до 2. Существует возможность создать летательный аппарат и с большим значением
аэродинамического качества, но для боеголовки такая задача трудноосуществима исходя из специфики её применения.
С увеличением коэффициента подъёмной силы соответственно увеличивается дальность полёта. Так, изменив аэродинамическое качество от 0 до 2, дальность возросла от 229 км до 4507 км. Стоит заметить, что в реальной ситуации коэффициент аэродинамического сопротивления является переменной величиной. Но для оценки влияния аэродинамического качества на дальность и траекторию полёта это не оказывает существенного воздействия. Поэтому при расчётах для упрощения математической модели было принято использовать коэффициент аэродинамического сопротивления как постоянную величину. Траектории полёта боевого блока, а также зависимость его дальности от разных значений коэффициента аэродинамического качества представлены на рис. 2.
\ и г/Д к= к=°\ \ 0,5 К=1 \ Л \ \ \ <=2 -
дальчосгь, ы
Рис. 2. Траектории боевых блоков с разным аэродинамическим качеством
Такой характер графиков объясняется изменением угла вектора скорости на большее значение при увеличении аэродинамического качества летательного аппарата. Последующее уменьшение высоты локального экстремума определённой кривой объясняется уменьшением ско-
рости полёта со временем за счёт аэродинамического сопротивления. Именно поэтому исследования не проводились с большими значениями коэффициента аэродинамического качества. В таких случаях скорость летательного аппарата будет настолько минимальной, что пора-
жение боевого блока средствами противоракетной обороны противника не составит большого труда.
Дальность полёта боевого блока зависит не только от соотношения коэффициентов аэродинамического сопротивления и подъёмной силы, но и от угла входа летательного аппарата в атмосферу. При уменьшении угла входа проекция скорости на ось ОХ увеличивается, а на ось ОТ уменьшается. То есть при изменении высоты на определённое значение, при уменьшении угла входа перемещение боевого
блока в горизонтальной плоскости будет увеличиваться. Исходя из этого, дальность полёта должна возрасти.
Рассмотрим полёт биконической боевой части при разных углах входа, приняв коэффициент аэродинамического качества постоянным и равным 0,5. При изменении значения угла от -50 до -10 градусов дальность полёта возросла от 118 км до 1140 км. Траектории полёта головной части, а также зависимость её дальности от разных значений углов входа представлены на рис. 3.
Рис. 3. Траектории боевых блоков при разных углах входа в атмосферу
При дальнейшем увеличении угла входа боевого блока в атмосферу дальность также растёт, но для подобного кардинального изменения направления вектора скорости боеголовки при таком огромном его значении не существует технических решений. В связи с этим диапазон положительных углов в исследовании не приводится.
Таким образом, из проведённого исследования можно сделать вывод, что при увеличении аэродинамического качества дальность полёта боевого блока увеличивается. Также дальность растёт и при увеличении угла входа (в отрицательном диапазоне углов) боеголовки в плотные слои атмосферы. Но при этом за время полёта скорость боевого блока уменьшается, что
отрицательно сказывается на вероятности преодоления противоракетной обороны.
Следовательно, для достижения максимальной дальности стоит увеличивать как угол входа боевого блока в плотные слои атмосферы, так и его аэродинамическое качество. Но также стоит учитывать аэродинамические потери скорости, которые уменьшают вероятность прохождения противоракетной обороны противника. Для успешного её преодоления требуется наоборот увеличение конечной скорости, а, следовательно, уменьшение угла входа и аэродинамического качества. Также возможен вариант увеличения количества тяжелых ложных целей среди боевых блоков в одной разделяющейся головной части.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Усолкин Ю.Ю. Проектирование головных частей баллистических ракет: Учебное пособие. Челябинск.: Изд. ЮУрГУ, 2005. - 41 с.
2. Ярошевский В.А. Вход в атмосферу космических летательных аппаратов. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. - 336 с.
3. Исаков А.Л. Инженерные задачи проектирования ракет: учебное пособие. Балт. гос. техн. ун-т. - СПб., 2017. - 113 с.
REFERENCES
1. Usolkin Yu.Yu. Proektirovanie golovnyh chastej ballisticheskih raket: Uchebnoe posobie [The design of the head parts of ballistic missiles]. Chelyabinsk.: Izd. YUUrGU, 2005, 41 p.
2. Yaroshevskij V.A. Vhod v atmosferu kosmicheskih letatel'nyh apparatov [The atmospheric entry of spacecraft]. Moscow, Nauka. Gl. red. fiz.-mat. lit., 1988, 336 p.
3. Isakov A.L. Inzhenernye zadachi proektirovaniya raket: uchebnoe posobie [Engineering problems of designing rockets]. Balt. gos. tekhn. un-t. - Saint-Petersburg, 2017, 113 p.
Материал поступил в редакцию 18.08.2019
© Гордиенко В.С., 2019
