CC BY
289
УДК 629.78
М. Д. Евтифьев
КОМПЛЕКСНЫЙ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ БАЛЛИСТИЧЕСКИХ РАКЕТ ПОДВОДНЫ1Х ЛОДОК (ЧАСТЬ 1)
На основе материала из открытых источников проведен комплексный технико-экономический анализ развития баллистических ракет подводных лодок России и США.
Для комплексного технико-экономического анализа баллистических ракет подводных лодок (БРПЛ) морского базирования выбираем современные БРПЛ на жидком и твердом топливах соответственно РСМ-54 (Россия) и «Трайдент-2» D-5 (США), которые являются в настоящее время воплощением самого передового опыта в создании БРПЛ, и каждая из них занимает по праву лидирующее положение среди всех принятых на вооружение БРПЛ. У БРПЛ РСМ-54 вообще нет аналогов в мире, а БРПЛ «Трайдент-2» D-5 превосходит аналогичные ракеты Франции и Китая по многим показателям. Новая российская твердотопливная БРПЛ «Булава-30» в настоящее время проходит летные испытания, поэтому говорить об ее характеристиках преждевременно.
Проведем подробный анализ тактико-технических характеристик.
Т актико-технические характеристики БРПЛ РСМ-54.
В 1979 г. в Конструкторском бюро (КБ) В. П. Макеева были начаты работы по проектированию новой межконтинентальной баллистической ракеты подводных лодок РСМ-54 (Р-29РМ) комплекса Д-9РМ, способной поражать малоразмерные защищенные наземные цели. Разработка комплекса была ориентирована на достижение максимально возможных тактико-технических характеристик при ограниченном изменении проекта подводной лодки (ПЛ). Поставленные задачи были решены разработкой оригинальной трехступенчатой схемы ракеты с совмещенными баками последней маршевой и боевой ступеней, использованием двигателей с предельными характеристиками, улучшением технологии изготовления ракеты и характеристик применяемых материалов, увеличением габаритов и стартовой массы ракеты за счет объемов, приходящихся на пусковую установку при их совместной компоновке в ракетной шахте ПЛ.
Много систем новой ракеты было взято от предыдущей модификации РСМ-50 (Р-29Р), что позволило уменьшить стоимость ракеты и сократить сроки разработки. Отработка и летные испытания проводились по уже проверенной схеме в три этапа. На первом использовались макеты ракет, запускаемые с плавстенда. Затем начались совместные летные испытания ракет с наземного стенда. При этом было выполнено 16 пусков, из которых 10 прошли успешно. На заключительном этапе стрельбы БРПЛ РСМ-54 осуществлялись с ПЛ К-51 «Имени XXVI съезда КПСС» пр. 667БДРМ [1; 2].
В 1986 г. ракетный комплекс Д-9РМ с ракетой РСМ-54 был принят на вооружение. Ракетами РСМ-54 комплекса Д-9РМ вооружены ПЛАРБ пр. 667БДРМ типа «Дельта-4». Последняя лодка этого типа К-407 вступила в строй 20 февраля 1992 г.
Всего у ВМФ на вооружении семь ракетоносцев проекта 667БДРМ. В настоящее время они находятся в боевом составе российского Северного флота. На каждом из них размещается по 16 пусковых установок РСМ-54 с четырьмя ядерными блоками на каждой из ракет. Эти корабли составляют костяк морской компоненты стратегических ядерных сил (СЯС). В отличие от предыдущих модификаций семейства ПЛ пр. 667, лодки проекта 667БДРМ могут производить пуск ракеты в любом направлении относительно курса движения корабля. Подводный пуск может осуществляться на глубинах до 55 м при скорости 6...7 узлов. Все ракеты могут быть запущены в одном залпе [1; 2; 3].
С 1996 г. производство ракет РСМ-54 было прекращено, однако в сентябре 1999 г. Правительство России приняло решение о возобновлении производства модернизированного варианта БРПЛ РСМ-54. Эта ракета вобрала в себя уникальную систему спутниковой навигации и вычислительный комплекс «Малахит-3», которые предназначались для БРПЛ РСМ-52 (вариант) комплекса Д-19УТТХ («Барк») [1; 2].
На западе комплекс получил обозначение SS-N-23 «Skiff» («Скиф») [2].
Ракета Р-29РМ (рис. 1) трехступенчатая с последовательным расположением ступеней, выполненных по «уплотненной» схеме. Первая ступень ракеты РСМ-54 состоит из топливного отсека, хвостового отсека и жидкостной ракетной двигательной установки (ЖРДУ), включающей в себя маршевый жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) и четырехкамерный рулевой ЖРД. Оба двигателя имеют турбонасосную систему подачи топлива с дожиганием генераторного газа. Тяга ЖРД первой ступени составляет 100 тс.
Корпус первой ступени ракеты выполнен из алюминиевого сплава в виде единого цельносварного топливного отсека. Высокое качество сварки обеспечивается тем, что она производится электронным лучом в вакууме. Полости горючего и окислителя разделены сферическим двухслойным днищем. Нижнее днище бака горючего сделано коническим и обеспечивает передачу тяги маршевого и рулевого двигателей. Соединение этого днища и маршевого ЖРД осуществлено сваркой через специальное биметаллическое кольцо по периметру расширяющейся части реактивного сопла ближе к его срезу.
Таким образом, маршевый ЖРД первой ступени «утоплен» в полости горючего. Здесь же утоплен и тур-бонасосный агрегат рулевого двигателя. Забор горючего в ЖРДУ осуществляется с помощью заборника в виде кольцевого короба. Заборное устройство окислителя тарельчатого типа.
Через полость горючего по ее центру проходит расходный трубопровод окислителя, заключенный в тоннельную трубу. Все соединения внутрибаковой арматуры сварные.
Верхним днищем полости окислителя служит нижнее днище полости окислителя второй ступени, а между ступенями отсек отсутствует. Маршевый ЖРД второй ступени утоплен в полости окислителя первой. Цилиндрические обечайки топливного отсека, а также все днища имеют вафельную конструкцию, выполненную механическим фрезерованием исходной заготовки большой толщины. Днища приварены к цилиндрической обечайке с помощью шпангоутов. В цилиндрические обечайки вварены также достаточно мощные промежуточные шпангоуты, по периметру которых на ракете расположены пояса резиновых амортизаторов [2].
Наддув баков в полете осуществляется по традиционной для ракет, разработанных в Государственном ракетном центре «КБ машиностроения имени В. П. Макеева», схеме - полости горючего восстановительным газом, отбираемым после турбины турбонасосного агрегата (ТНА) рулевого двигателя, а наддув полости окислителя - «кислым» газом, отбираемым после турбины маршевого ЖРД.
В хвостовом отсеке находятся некоторые агрегаты ЖРДУ, а также расположены четыре рулевые камеры с приводами, которые обеспечивают управление полетом РН. Камеры размещены в шарнирных подвесах консольного типа.
Первая и вторая ступени соединены между собой с помощью сварки по периметру оболочки. Никаких специальных соединительных элементов нет.
Рис. 1. Компоновка БРПЛ РСМ-54 (Р-29РМ):
1 - разделяющаяся головная часть; 2 - приборный отсек; 3 - боевые головки; 4 - маршевый двигатель третьей ступени; 5 - маршевый двигатель второй ступени;
6 - маршевый двигатель первой ступени
Разделение ступеней производится по «холодной» схеме, конструктивное выполнение которой отличается оригинальностью. Разрыв механической связи между первой и второй ступенями осуществляется после отключения ЖРДУ первой ступени с помощью удлиненного кумулятивного заряда (УКЗ), проложенного по периметру цилиндрической оболочки полости окислителя в районе нахождения среза сопла ЖРД второй ступени (для исключения соударения сопла двигателя с первой ступенью). После его подрыва разделение ступеней осуществляется под действием газов наддува полости окислителя первой ступени. Они же обеспечивают эффективное торможение первой ступени. При этом часть газов, заключенная в пространстве между ЖРД второй ступени и оболочкой цилиндрической обечайки полости окислителя первой ступени, истекая через узкий кольцевой зазор между срезом сопла двигателя и оболочкой, создает продольное ускорение, необходимое для запуска ЖРД второй ступени. Другая часть газов, находящаяся в нижней части полости окислителя первой ступени (за срезом сопла), обеспечивает эффективное торможение первой ступени.
Включение ЖРД второй ступени осуществляется практически одновременно с подрывом УКЗ. Выход его на режим полной тяги производится очень быстро, так как осевая перегрузка создается газами наддува в течение короткого промежутка времени. После разделения ступеней ЖРД второй ступени оказывается как бы в своеобразном хвостовом отсеке, представленном частью оболочки полости окислителя первой ступени. Этот «хвостовой отсек» сбрасывается путем подрыва УКЗ, проложенных по его периметру в районе сварки со второй ступенью, а также по образующим.
Вторая ступень включает в себя короткий переходный и цельносварной топливный отсеки и маршевый ЖРД. Элементы конструкции второй ступени изготовлены, как и на первой ступени, из алюминиевого сплава (АМг-6). Топливный отсек изготовлен из оболочек вафельной конструкции, выполненных механическим фрезерованием. В отличие от топливного отсека первой ступени в этом отсеке полость окислителя расположена под полостью горючего.
Нижнее днище, разделяющее полости окислителя первой и второй ступеней, состоит из сферы и усеченного конуса. Сфера направлена выпуклостью внутрь бака окислителя второй ступени и служит нишей для размещения ЖРД второй ступени. Коническая часть днища обеспечивает передачу тяги ЖРД второй ступени. Промежуточное двойное днище - сферическое. Верхнее днище полости горючего выполнено составным, из двух усеченных конусов и полусферы. В образованной им нише располагается ЖРД третьей ступени. В отличие от двигателей первой и второй ступеней он не «утоплен» и размещен в «сухом» отсеке.
Короткий переходный отсек служит для соединения второй и третьей ступеней. Он представляет собой цилиндрическую оболочку вафельной конструкции из алюминиевого сплава. Этот отсек герметичен и надувается. В средней части переходного отсека по его периметру проложен УКЗ для разделения ступеней. Оно осуществляется по «холодной» схеме [2].
ЖРД второй ступени разработан в Конструкторском бюро химического машиностроения (КБХМ). Это однокамерный двигатель с турбонасосной системой подачи топлива. Он выполнен по экономичной замкнутой схеме с дожиганием окислительного генераторного газа. Камера двигателя закреплена в карданном подвесе. Постоянный режим работы ЖРД поддерживается регулятором расхода горючего в газогенератор. Соотношение расходов компонентов топлива в камере регулируется дросселем [4].
Двигательные установки третьей ступени и головной части объединены в единую сборку с общей баковой системой.
Головная часть - четырех- и десятиблочная с индивидуальным наведением блоков. Возможно оснащение ракет осколочно-фугасной БЧ с массой ВВ около 2 000 кг, предназначенных для сверхточного поражения целей в неядерном конфликте [2].
Система управления помимо аппаратуры астрокоррекции имеет аппаратуру коррекции траектории полета по навигационным спутникам и обеспечивает КВО (при стрельбе на максимальную дальность) около 250 м [2].
БРПЛ РСМ-54 - самая лучшая баллистическая ракета в мире по энергомассовому совершенству. Под этим термином понимается показатель отношения массы боевой нагрузки баллистической ракеты к ее стартовой массе, приведенный к одной дальности полета. Если оценивать нашу ракету по этому показателю, то РСМ-54 имеет 46 единиц. Это лучше, чем у американских баллистических ракет морского базирования «Трайдент-1» и «Трайдент-2», имеющих энергомассовые показатели 33 и 37,5 единиц соответственно [2].
Тактико-технические характеристики РСМ-54 представлены в табл. 1.
Горючим для ЖРД всех ступеней ракеты РСМ-54 является несимметричный диметилгидразин (НДМГ), получающийся действием азотной кислоты на солянокислый диметиламин в присутствии водорода. Выход несимметричного диметилгидразина по этому способу составляет 69.. .73 % от теоретического [2].
НДМГ при нормальных условиях представляет собой очень гигроскопичную жидкость с запахом аммиака. Легко растворяется в воде, спирте, эфире.
Температура кипения горючего 336 К (63 °С), температура плавления 215,9 К (-57,1 °С). Плотность при 295 К (22 °С) равна 0,791 4 г/см3. Критическая температура равна 522 К (249 °С), критическое давление 60 кгс/см2 [5; 6; 7].
Несимметричный диметилгидразин весьма стойкое и стабильное вещество при нормальных условиях, не чувствительное к удару, трению, световым и звуковым импульсам. При нагревании способно к термическому разложению, которое начинается с температуры около 400 К (127 °С) и интенсивно развивается с ее повышением.
Коррозионная активность НДМГ невелика, с ним нормально работают стали, чистый алюминий и его сплавы без окислов, титан, никель, монель-металл, а вот сплавы меди применять не рекомендуется. В качестве прокладочного материала можно использовать фторопласты, полиэтилен, каучук, асбест с фторопластом (фторасбес-ты). Допустимы эластомеры и бутилкаучуки, хлоропре-ны, плексиглас.
Диметилгидразин очень гигроскопичен, и следует принимать меры, исключающие непосредственный контакт жидкости с воздухом. При контакте диметилгидразин медленно окисляется даже при комнатной температуре, более интенсивно при нагревании и повы-шенном давлении. При давлении выше двух атмосфер диметилгидра-зин с кислородом воздуха может дать взрыв, и поэтому для наддува баков с диметилгидразином необходимо использовать азот и другие инертные газы.
Токсичность НДМГ высока, и последствия отравления очень тяжелы: почти полная потеря работоспособности при слабом отравлении и расстройство деятельности нервной системы при более сильных отравлениях.
Токсичное действие диметилгидразина может передаваться через одежду, поэтому совершенно недопустимо нахождение в производственной одежде в столовых или в домашних условиях, это особенно опасно для детей.
Максимально допустимые концентрации диметилгид-разина в воздухе рабочих помещений составляют 0,5-10-6. При кратковременном контакте максимальные концентрации могут быть увеличены почти в 10 раз, но лучше этого не допускать. Защитные меры предосторожности при работе с НДМГ предусматривают использование специальной одежды, состоящей из прорезиненных брюк и куртки с головным капюшоном, очков, перчаток и резиновых сапог [5; 6; 7].
При работе в помещениях с более высокой концентрацией, чем допустимо по нормам, необходимо пользоваться автономным источником подачи воздуха для дыхания, так как защитные противогазы не обеспечивают длительного пребывания в загазованной среде. При попадании жидкого диметилгидразина на кожу необходимо срочно и тщательно промыть пораженные участки боль-
Таблица 1
Тактико-технические характеристики РСМ-54
Показатели Значения
Стартовая масса, т 40,3
Забрасываемая масс, кг 2 800
Длина ракеты, м 15,3
Диаметр ракеты, м 1,9
Максимальная дальность стрельбы, км 10 000
Число ступеней 3
Количество боевых блоков X мощность, Кт 4x100, 10x40
Тип головной части РГЧ
Система управления астроинерциальная
КВО, м 250
шим количеством воды и затем слабым раствором уксусной или лимонной кислоты.
Поражение горючим возможно при вдыхании паров и в результате проникновения его через кожу.
Энергетические характеристики НДМГ существенно зависят от выбора окислителя. Так, с фтором удельный импульс достигает 3 340.3 385 м/с (340.345 с), с кислородом 2 950.3 040 м/с (300. 310 с), а с перекисью водорода и азотным тетраоксидом около 2 850.2 900 м/с (280.285 с) в области, близкой к стехиометрическим условиям или чуть ниже [5; 6; 7].
Как видно из приведенных данных, разница между удельными импульсами с кислородом и фтором составляет только 12.15%, а эксплуатационные показатели фтора значительно хуже, чем кислорода, поэтому целесообразно использовать только кислород.
Разница между удельными импульсами НДМГ с криогенным кислородом и нормальными жидкостями - перекисью водорода и азотным тетраоксидом (четырехо-кись азота (АТ)) - еще меньше, около 5.7 %. Учитывая, что НДМГ и АТ дают долгохранимую самовоспламеняющуюся пару топлива, поэтому и было целесообразно их применение для современных ЖРД.
Вторым компонентом топлива (окислителем) БРПЛ РСМ-54 является АТ. Четырехокись азота при обычной температуре представляет собой токсичную светло-оранжевую жидкость с запахом азотной кислоты, окраска которой с повышением температуры переходит в бурую.
Четырехокись азота кипит при 295 К (22 °С), легко диссоциирует, начиная с 285 .288К (12.15 °С) и обладает очень высокой летучестью.
Критическая температура 431 К (158 °С), критическое давление 99 кг/см2. При охлаждении четырехокиси азота до температуры ниже 233 К (-40 °С) в атмосфере над ее твердой поверхностью также имеется значительное количество газообразной окиси [5; 6; 7].
Упругость паров четырехокиси азота равномерно повышается в интервале от 233 К (-40 °С) до 295 К (22 °С), т. е. до температуры ее кипения, при дальнейшем же повышении температуры упругость паров резко нарастает. Так, например, при возрастании температуры от 284,3 К (11,3 °С) до 373 К (100 °С) давление увеличивается в 19,4 раза, а при повышении от 284,3 К (11,3 °С) до 423 К (150 °С) - в 80,7 раза. Объясняется это диссоциацией молекулы АТ при повышении температуры по уравнению ^04 О 2Ш2.
При 337 К (64 °С) половина ^04 диссоциирует на двуокись азота, а при 423 К (150 °С) диссоциация протекает полностью.
Бурая окраска паров АТ зависит от наличия в ее составе двуокиси азота; пары четырехокиси азота, свободные от примесей двуокиси, бесцветны, но пары технической четырехокиси всегда окрашены в оранжевый цвет и хорошо заметны.
АТ очень ядовит, поэтому вдыхание паров недопустимо даже в очень небольших концентрациях, все работы должны проводиться в противогазах, а лабораторные исследования - только под вытяжкой. Токсические свойства четырехокиси азота очень схожи с аналогичными свойствами азотной кислоты.
Жидкая кислота и особенно ее пары действуют на организм человека исключительно активно, и вызывает раздражение дыхательных путей, отек легких, головную боль. Вдыхание паров азотного тетраксида в течение непродолжительного времени может привести к отравлению со смертельным исходом. При попадании на кожу -сильные, долго не заживающие ожоги.
Ежедневное 8-часовое пребывание в атмосфере с концентрацией окислов азота не более 0,000 05 считается безопасным. Концентрация от 0,000 05 до 0,000 15 хотя и не причиняет особого беспокойства, может быть чрезвычайно опасной для организма человека. При такой концентрации очень быстро появляется тошнота, иногда рвота, общее недомогание, снижение всего тонуса организма и потеря работоспособности. Может понизиться кровяное давление, появляется сильная боль в грудной клетке, спазматический кашель, одышка, иногда астматическое дыхание. Все эти симптомы проявляются через несколько часов или несколько дней после начала действия окислов азота [5; 6; 7].
Персонал, работающий с окислами азота, должен чаще проходить медосмотр. При осмотре особое внимание следует обращать на кровеносную и дыхательную системы и на состояние зубов.
Людям, страдающим бронхитом, астмой, болезнями сердца, работать с окислами азота не следует.
Лица, работающие с окислами азота, должны пользоваться резиновыми перчатками, фартуками и защитными очками. Против паров окислов азота основным средством защиты является индивидуальная кислородная маска. Обычный респираторный противогаз не обеспечивает достаточно надежной защиты. В помещениях, где производятся работы, должны быть предусмотрены душ, в крайнем случае, простой водопроводный кран для промывания пораженного места. При попадании на кожу кислоту нужно срочно смыть водой, а затем 5.10-процентным раствором соды. Кожу следует промывать обильной струей воды не менее 15 мин, после чего необходимо обратиться в медпункт.
В случае проникновения окислов азота в организм, пострадавшему срочно необходимо сделать промывание желудка, дать выпить как можно больше воды, чтобы разбавить окислы азота, и затем вызвать искусственную рвоту. Лучше, если эта процедура будет проводиться под наблюдением врача, потому что рвота и промывание желудка могут вызвать разрывы стенок пищевода и желудка, сильно обожженных кислотой.
В случае попадания АТ в глаза необходимо быстро промыть их сильной струей воды, а затем 2-процентным раствором соды, после чего следует немедленно обратиться за медицинской помощью.
Четырехокись азота можно хранить и перевозить в стальных или алюминиевых баллонах, при нормальной температуре внутри баллонов давление сравнительно невысокое (примерно 2 кг/см2при 308 К (35 °С)), поэтому для хранения четырехокиси азота можно применять баллоны, рассчитанные на низкое давление. Влажная четырехокись азота разъедает сталь [5; 6; 7].
В настоящее время для перевозки и хранения четыре-хокиси азота чаще применяют цельносварные стальные
баллоны. Из-за узкого температурного диапазона (269.295 К) жидкофазного состояния применение АТ на ракетных установках в зависимости от условий эксплуатации может вызвать необходимость применения термо-статирования. Так, в условиях космоса или на земле в условиях низких температур необходимо обеспечить подогрев АТ. При хранении заряженной установки в летных условиях при высокой температуре, наоборот, необходимо охлаждение емкостей с АТ, иначе начнется диссоциация. Взрывоопасность и пожароопасность АТ могут проявиться только при контакте с горючими веществами, главным образом углеводородного происхождения. В связи с этим отметим, что с четырехокисью азота допускается растворение некоторых органических соединений.
С углеводородами (нафтены, парафины, ароматики) и спиртами растворение идет со значительным тепловыделением, в некоторых случаях до самовоспламенения и даже до взрыва. АТ хорошо смешивается с азотной кислотой (АК) в любых концентрациях и дает с ней либо раствор ^О4 в НЫО3, либо раствор НЫО3 в ^О4. Практическое применение смесей АТ в АК целесообразно по ряду соображений. Такие смеси имеют значительно более широкий температурный диапазон жидкофазного состояния, чем чистые продукты. Смеси дают большую теплопроизводительность и большую удельную тягу, чем чистая АК, примерно на 15.18 %. Смеси К2О4и НЫО3 менее коррозионноактивны, чем чистая АК.
Полезно запомнить, что чистый концентрированный АТ токсичнее АК примерно в 10 раз и во столько же раз менее коррозионноактивен, чем чистая концентрированная АК.
При работе с АТ и его смесями с азотной кислотой рекомендуется применять те же конструкционные и прокладочные материалы, что и для АК. В качестве смазочных материалов рекомендуется применять смесь порошкообразного графита и жидкого стекла. Применение углеводородных смазок приведет к взрыву [5; 6; 7].
Тактико-технические характеристики БРПЛ «Трайдент-2» D-5. В 1990 г. были завершены испытания новой БРПЛ «Трайдент-2» D-5, и она была принята на вооружение. Эта БРПЛ, как и предшествующая ей «Трайдент-1», входит в состав стратегического ракетного комплекса «Трайдент», носителем которого являются атомные ракетные ПЛ типов «Огайо» и «Лафайет». Твердотопливная БРПЛ «Трайдент-2» D-5 (рис. 2) имеет три ступени, соединенные переходными (соединительными) отсеками, а двигатель третьей ступени размещен в центральной части головного отсека. При этом основные массогабаритные характеристики ракеты «Трайдент-2» значительно превышают аналогичные параметры «Трайдент-1» [8; 9; 10].
Масса полезной нагрузки ракеты равна 2 750 кг. Коэффициент энергомассового совершенства (отношение массы полезной нагрузки к стартовой массе) составляет около 4 %.
Ракетные твердотопливные двигатели (РДТТ) всех трех ступеней имеют качающееся сопло облегченной конструкции, обеспечивающее управление по тангажу и рысканию. Корпус двигателей первой и второй ступеней «Трайдент-2» D-5 выполняются из нового композиционного материала на основе графитового волокна, двига-
тель третьей ступени - из стеклопластика. На всех двигателях сопла утопленные. Сопла и сопловые насадки изготовлены из новых материалов, обеспечивающих работу при повышенных давлениях в течение продолжительного времени и при использовании топлива большей активности. Сопла поворотные с турбогидравлической системой отклонения сопла при управлении полетом ракеты. В двигателях применяются высокоэнергетические топлива с добавкой октогена. Топливные заряды имеют по одному центральному каналу с профилироваными щелями. Давление в камере двигателей первой и второй ступеней - более 10 МПа, в двигателе третьей ступени - около 8 МПа [11; 12]. Накапливающееся за время работы РДТТ первой и второй ступеней отклонение по крену компенсируется в процессе работы двигательной установки головной части (отсека) ракет. Углы поворота сопел РДТТ являются небольшими и не превышают 6.7°. Максимальный угол поворота сопла определен исходя из величины возможных случайных отклонений, вызванных подводным запуском и разворотом ракеты. Угол поворота сопла для коррекции траектории полета после завершения работы РДТТ и отделения ступеней ракеты обычно составляет 2.3°, а во время остального полета - 0,5°.
Увеличение массы топлива первой и второй ступеней, а также использование ракетного топлива с большим удельным импульсом и введение некоторых конструктивных изменений позволили увеличить дальность стрельбы БРПЛ «Трайдент-2» D-5 до 11 000 км.
Головная часть ракеты, разработанная фирмой «Дже-нерал электрик», включает приборный отсек, боевой отсек, двигательную установку и головной обтекатель с носовой аэродинамической иглой. В приборном отсеке размещены различные системы (управления и наведения, ввода данных на подрыв боеголовок, разведения бо-
1
,2
Рис. 2. Компоновка БРПЛ с РДТТ «Трайдент-2» D-5:
1 - разделяющаяся головная часть; 2 - боевые головки; 3 - приборный отсек; 4 - маршевый двигатель третьей ступени; 5 - маршевый двигатель второй ступени;
6 - маршевый двигатель первой ступени
еголовок), источники электропитания и другое оборудование. Система управления и наведения управляет полетом ракеты на этапах работы ее маршевых двигателей и разведения боеголовок. Она вырабатывает команды на включение, выключение, отделение РДТТ всех трех ступеней, включение ДУ ГЧ, проведение маневров коррекции траектории полета БРПЛ и нацеливание боеголовок [8].
Система разведения боеголовок обеспечивает выработку команд на маневрирование ГЧ при нацеливании боеголовок и их отделение. Она установлена в верхней (передней) части приборного отсека. Система ввода данных на подрыв боеголовок записывает необходимую информацию в ходе предстартовой подготовки и вырабатывает данные высоты подрыва каждой боеголовки.
В боевом отсеке «Трайдент-2» D-5 (благодаря значительно увеличенной тяговооруженности) находится восемь боеголовок марки W-88 мощностью 475 Кт каждая, или до 14 боеголовок марки W-76 мощностью до 100 Кт.
Двигательная установка ГЧ состоит из твердотопливных газогенераторов и управляющих сопел, с помощью которых регулируется скорость головной части, ее ориентация и стабилизация. В двигательной установке ГЧ ракеты «Трайдент-2» D-5 используется четыре твердотопливных газогенератора, разработанные фирмой «Atlantic research» [8].
Головной обтекатель предназначен для защиты ГЧ ракеты при ее движении в воде и плотных слоях атмосферы. Сброс обтекателя производится на участке работы двигателя второй ступени. Носовая аэродинамическая игла применена на ракетах «Трайдент» в целях снижения аэродинамического сопротивления и увеличения дальности стрельбы при существующих формах их головных обтекателей. Она утоплена в обтекателе и выдвигается телескопически под воздействием порохового аккумулятора давления. На ракете «Трайдент-2» D-5 игла имеет семь составных частей, выдвигается на высоте 600 м в течение 100 мс и уменьшает аэродинамическое сопротивление на 50% [8].
При работе РДТТ третьей ступени ракеты «Трайдент-2» D-5 конструкция и бортовое оборудование испытывают конвекционный и радиационный нагрев. Конвекционный нагрев вызывается истекающей струей газов, имеющей температуру 2 200 К (1 927 °С) и плотность теплового потока H” 320 ккал/м2с. Радиационный нагрев вызывается частицами окиси алюминия, содержащимися в истекающей струе и имеющими температуру 2 220 К (1 927 °С) и плотность теплового потока составляет 175 ккал/м2с [8].
Нагрев требует применения теплозащиты, причем не только для конструкции ступеней, но также для кронштейнов, электронного оборудования, кабелей, разъемов и прочее. Основной теплозащитой служат пробковые листы. Зазоры между листами, превышающие 1,5 мм, заполняются пробковыми прокладками, которым вручную придается требуемая форма. Зазоры менее 1,5 мм заполняются вручную специальным раствором (смола с пробковой крошкой) [8].
Специалисты фирмы Lockheed, головной по ракетам «Трайдент», разработали проект развертываемого в полете теплозащитного экрана в задней части ступени, что позволяет не прибегать к индивидуальной теплозащите отдельных элементов конструкции и оборудования ступени. Предлагаются два варианта развертываемого экрана: с надувным тороидальным элементом жесткости и с гибкими элементами жесткости.
Система хранения и пуска ракет предназначена для хранения и обслуживания, защиты от перегрузок и ударов, аварийного выброса и запуска ракет с ПЛАРБ, находящейся в подводном или надводном положении. На ПЛ типа «Огайо» такая система имеет наименование Мк35 мод. 0 (на кораблях с комплексом «Трайдент-1») и Мк35 мод. 1 (для комплекса «Трайдент-2»), а на переоборудованных ПЛАРБ типа «Лафайет» - Мк24.
В состав систем Мк35 мод. 1 входят 24 шахтные пусковые установки (ПУ), подсистема выброса БРПЛ, подсистема контроля и управления пуском и погрузочное оборудование ракет. ПУ состоит из шахты, крышки с гидравлическим приводом, уплотнения и блокировки крышки, пускового стакана, мембраны, двух штеккерных разъемов, оборудования подачи парогазовой смеси, четырех контрольно-наладочных люков, одиннадцати электрических, пневматических и оптических датчиков [8; 9; 10].
Тактико-технические характеристики БРПЛ «Трайдент-2» D-5 приведены в табл. 2.
Рассмотрим составные части твердого топлива БРПЛ «Трайдент-2» D-5. Перхлорат аммония (КН4СЮ4) является основным окислителем твердых ракетных топлив. Он стабилен, негигроскопичен, достаточно эффективен и вполне безопасен в обращении. Его получают методом Шумахера, в основном из реакции перхлората натрия с аммиаком и соляной кислотой [5; 6; 7].
Перхлорат аммония - бесцветное соединение, кристаллизирующееся из воды в виде безводной соли.
При работе с перхлоратом аммония не возникает особых трудностей. Он может сильно раздражать кожу и сли-
Таблица 2
Тактико-технические характеристики БРПЛ «Трайдент-2» D-5
Показатели Значения
Стартовая масса, т 57,5
Забрасываемая масс, кг 2 750
Длина ракеты, м 13,4
Диаметр ракеты, м 2,11
Максимальная дальность стрельбы, км 11 000
Число ступеней 3
Количество боевых блоков X мощность, Кт 8x475, 14x100
Тип головной части РГЧ
Система управления астроинерциальная
КВО, м 90-120
зистые оболочки, но относительно безвреден при кратковременном контакте. Перхлорат аммония не чувствителен к удару и детонирует только в 10 % случаев при испытаниях с нагрузкой около 1 100 кг/см2. Добавление катализатора приводит к увеличению частоты детонации до 60 % при нагрузке 1100 кг/см2
С большими количествами перхлората аммония необходимо работать в огнестойкой одежде и защитных очках. Следует принимать меры, исключающие контакт с органическими и другими горючими веществами. Используемые приборы и инструменты не должны искрить. В обычных условиях может быть нет необходимости работать в респираторе, но ими следует пользоваться, если вещество рассыпают. Перхлорат аммония следует хранить в герметичных емкостях в холодном хорошо вентилируемом помещении. Поврежденные емкости с веществом или рассыпанное вещество нужно немедленно удалять и не использовать для дальнейшей работы [5; 6; 7].
Алюминий (А1) и окись алюминия (А1203). Оба вещества присутствуют в продуктах сгорания смесевых твердых ракетных топлив в виде высокодисперсных аэрозолей диаметром 2.10 мкм.
Алюминий широко применяется в твердых ракетных топливах, а также как легирующая добавка. Он встречается в виде минерала боксита - гидратированной окиси. Получают алюминий методом Холла, который состоит в растворении очищенной окиси алюминия в расплавленном креалите при 800.1 000° и последующем электролизе. Алюминий - твердый, прочный металл серебристо-белого цвета с высоким окислительным потенциалом, но устойчивый к окислению вследствие образования защитной окисной пленки.
Этот металл нереакционноспособен, но в порошкообразном виде образует с воздухом воспламеняющиеся и взрывчатые смеси, поэтому его необходимо изолировать от источников искры.
Алюминий применяется наиболее широко как присадка, способствующая увеличению плотности заряда и обеспечивающая значительное увеличение температуры сгорания. Добавка алюминия до 15 % может обеспечить увеличение плотности смесевых топлив более 2,0 г/см3 и температуры сгорания до 3 000 К. Алюминий вводится в топливо в виде металлического порошка, что способствует его равномерному распределению по заряду. К сожалению, алюминий обладает низким газообразованием (чистый - около 220 л/кг) и дает в продуктах сгорания твердую фазу в виде А1203, что значительно снижает удельный импульс [5; 6; 7].
Токсичность алюминия и его оксида проявляется во влиянии на обмен веществ (минеральный обмен), на функцию нервной системы, фиброзообразование легочной ткани.
Высокая комплексообразующая способность алюминия обуславливает снижение активности лактатдегидро-геназы, щелочной фосфатазы, угольной ангидразы, церулоплазмина, каталазы, блокируются активные центры ферментов, участвующих в кроветворении.
К важнейшим клиническим проявлениям нейротак-сического действия алюминия относят нарушения двигательной активности, судороги, снижение или потерю памяти, психотические реакции - «миоклоническую энцефалопатию». Концентрация алюминия в головном мозге, особенно в сером веществе, может достигать очень
больших значений. Нейротоксическое действие алюминия проявляется только при нарушении проницаемости гематоэнцефалического барьера, чему способствует болезнь Дауна, старение, гиперсекреция паращитовидной железы, гипервитаминоз D, алкогольная энцефалопатия.
При вдыхании пыли алюминия и его оксида поражаются легкие. Вдыхание этих соединений длительное время (в концентрациях 10...20 мг/м3) приводит к тяжелому заболеванию органов дыхания (алюминоз) [5, 6, 7].
Библиографический список
1. Величко, И. И. Создание ракетно-космических комплексов - новое направление развития ГРЦ / И. И. Величко [и др.] // Ракетно-космическая техника : тр. науч.-техн. конф. «VI Макеевские чтения». Сер. XIV. Расчет, экспериментальное исследование и проектирование баллистических ракет с подводным стартом. Миасс. : ФГУП Государственный ракетный центр «КБ им. акад. В. П. Макеева». 2000. Вып. 1 (44). С. 164-167.
2. Евтифьев, М. Д. Баллистическая ракета подводных лодок для современной России / М. Д. Евтифьев. Красноярск : ООО «ТехПол». 2004.
3. Дегтярь, В. Г. Подводный старт баллистических ракет морского базирования : моногр. / В. Г. Дегтярь, Е. Н. Мнев, В. Т. Чемодуров. Миасс. : Государственный ракетный центр КБ им. акад. В. П. Макеева. 2001.
4. Леонтьев, Н. И. Эволюция жидкостных ракетных двигателей для БРПЛ // Н. И. Леонтьев // Ракетно-космическая техника : тр. науч.-техн. конф. «VI Макеевские чтения». Сер.ХГУ. Расчет, экспериментальное исследование и проектирование баллистических ракет с подводным стартом. Миасс. : ФГУП Государственный ракетный центр «КБ им. акад. В. П. Макеева». 2000. Вып. 1 (44). С. 125-129.
5. Сарнер, С. Химия ракетных топлив : пер. с англ. / С. Сарнер ; под ред. В. А. Ильинского. М. : Мир. 1969.
6. Химмотология ракетных и реактивных топлив /
A. А. Братков [и др.] ; под ред. А. А. Браткова. М. : Химия. 1987.
7. Штехер, М. С. Топлива и рабочие тела ракетных двигателей : учеб. пособие для авиационных вузов / М. С. Ште-хер. М. : Машиностроение. 1976.
8. Кожевников, В. Ракетный комплекс «Трайдент» /
B. Кожевников // Зарубежное военное обозрение. 1989. № 4. С. 50-60.
9. Константинов, В. ВМС США - курс в XXI век / В. Константинов // Зарубежное военное обозрение. 2000. № 10. С. 39-45.
10. Колесников, С. ПЛАРБ ВМС США / С. Колесников // Зарубежное военное обозрение. 1997. N° 10. С. 46-51.
11. Конструкция и отработка РДТТ / под ред.
A. М. Виницкого. М. : Машиностроение. 1984.
12. Гапаненко, В. И. Особенности РДТТ для БРПЛ /
B. И. Гапаненко, Г. А. Зыков, М. И. Соколовский / Ракетно-космическая техника : тр. науч.-техн. конф. «VI Макеевские чтения». Сер.ХГУ. Расчет, экспериментальное исследование и проектирование баллистических ракет с подводным стартом. Миасс. : ФГУП Государственный ракетный центр «КБ им. акад. В. П. Макеева». 2000. Вып. 1 (44). С. 139-147.
M. D. Evtifiev
THE COMPLEX TECHNICAL AND ECONOMIC ANALYSIS OF BALLISTIC MISSILES OF SUBMARINES (PART 1)
On a material from the open sources the author makes the complex technical and economic analysis of development of ballistic missiles of submarines of Russia and the USA.
УДК 629.7, 531.252; 537.311
Г. Д. Коваленко, Н. В. Никушкин, А. В. Кацура, Д. С. Урнышев
МЕТОД ОЦЕНКИ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ УПРУГО-ДЕФОРМИРУЕМЫХ ОБЪЕКТОВ
Рассматривается эффект красно-фиолетового расщепления излучений от вторичной эмиссии, возникающей вокруг контакта между упруго-деформируемым металлом и диэлектриком под воздействием единичного электроимпульса, возбуждающего в металле колебания на фононном уровне. Дается экспериментальное подтверждение предполагаемого механизма низкочастотной модуляции электрического поля фононами.
При разработке авиаконструкций используются три концепции проектирования: «безопасного срока службы» (safe-life), «безопасной повреждаемости» (fail-safe), «допустимого повреждения» («damage-tolerant»). Широкое распространение при конструировании летательного аппарата (ЛА) принципов «безопасной повреждаемости» и «допустимого повреждения» в настоящее время существенно повысило объем расчетно-экспериментальных исследований, связанных с живучестью конструкций, поскольку в основе указанных принципов лежит способность конструкций нормально функционировать при возникновении в ней частичных или полных разрушений элементов. Одним из важнейших требований, предъявляемых к конструкции летательных аппаратов, является требование прочностной надежности. Из различных видов отказов по критериям прочности наиболее сложными и трудно прогнозируемыми являются отказы вследствие постепенного накопления повреждений под действием циклических напряжений. Обеспечение эксплуатационной надежности авиационных конструкций по критериям сопротивления цикловой усталости базируется на изучении закономерностей циклической повреждаемости и обеспечивается сочетанием расчетных и экспериментальных методов.
Основой экспериментальной оценки напряженного состояния конструкции являются методы диагностики зон концентрации напряжений в деталях, влияющих на сопротивление усталости. Дефектоскопия материалов с целью выявления опасных аномалий прочностных свойств является генеральной проблемой в обеспечении надежности функционирования машин и агрегатов во многих отраслях машиностроения [1; 2]. Среди способов диагностики существует направление газоразрядной визуализации (ГРВ) рабочих поверхностей, где осуществляется выявление дефектов как на микроуровнях поверхности, так и на уровне физико-механического состояния материалов [3; 4]. Пока ГРВ достигнуто лишь качественное
отображение исследуемых объектов, это существенно ограничивает распространение нового метода несмотря на впечатляющие изображения полей вблизи разнообразных тел живой и неживой природы.
При исследовании различных материалов - проводников, полупроводников и диэлектриков - нами обнаружены аномальные области в объектах исследования, дающие красную засветку, в то время как остальная площадь засвечивалась в сине-фиолетовом диапазоне. Дополнительными исследованиями удалось установить, что возникающим аномалиям соответствуют зоны повышенных напряжений. В физике твердых тел подобные явления расщепления наблюдаются в парамагнитном резонансе в виде эффекта Зеемана [5]. Распространение электромагнитной волны в металлах связывают с понятием циклотронного резонанса [6], при котором наблюдается изменение частоты, если вектор напряженности магнитного поля проходит вдоль изоэнергетической поверхности. В случае, «если период радиоволны окажется равным или кратным периоду обращения электрона, то электрон, влетая в скин-слой, будет ускоряться или замедляться» [6], однако указанные явления наблюдаются при сильном магнитном воздействии. Оценка уровня энергий при ГРВ показывает, что напряженность возникающих магнитных полей пренебрежительно мала. Поэтому красно-фиолетовое расщепление при электролюминесценции в поле упругих деформаций носит самостоятельный характер.
Целью работы явилось исследование основных закономерностей красно-фиолетового расщепления при газоразрядной визуализации упруго деформируемого объекта. Для проведения экспериментов использовалась установка ГРВ (рис.1).
Электрические параметры процесса ГРВ обусловлены работой генерирующего устройства Г, в состав которого входят автономный источник питания напряжением 4,5 V; промежуточный преобразователь напряжения
