Механика полета: от основ до классификации ракет

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 материаль¬ных 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)». 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 . 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. 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) 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 орбиту груз 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