10. Кинетическое оружие, его место в программе сои.

КО – это снаряды-перехватчики, направляемые на объекты космического базирования для уничтожения путем механического разрушения. Достаточно, чтобы относительная скорость встречи была порядка км/с, т.к. при эффективной толщине снаряда порядка нескольких г/см² удельный импульс, приходящийся на поверхность мишени, достигает 10⁵ – 10⁶ г/(см/с). Это более чем на порядок выше порога разрушения (было при рассмотрении тонкостенных оболочек). Для космических траекторий характерны скорости  8 км/с, так что необходимые скорости легко получить даже путем выбора геометрии столкновения.

Разрушение цели может произойти не только в результате прямого попадания снаряда (чисто кинетическое оружие). Можно уничтожить цель путем взрыва снаряда при его пролете неподалеку от цели.

На основании опубликованных в американской печати данных можно привести следующую классификацию типов кинетического оружия:

1. Баллистические снаряды, движущиеся по инерции за пределами атмосферы (траектория заранее известна).

2. Снаряды-перехватчики с системой наведения (самонаведения). Они рассчитаны на прямо попадание в цель и снабжены фугасной или осколочной боевой частью.

3. Снаряды-перехватчики с системой наведения (самонаведения), рассчитанные на столкновение с целью.

Созданные в США ранее системы ПРО (“Safeguard” и “Сентинел”) были построены на основе кинетического оружия второго типа – ракет-перехватчиков наземного базирования с ядерными боеголовками. Эти перехватчики предназначались для поражения атакующих ракет на конечном участке их траектории.

Было также разработано противоспутниковое оружие на базе перехватчики, запускаемого с самолета F-15 – это оружие относится к системам КО 3-его типа.

Сейчас рассмотрим возможности и особенности КО на активном и баллистическом участках ракеты.

Предполагается для борьбы на активном участке использовать снаряды 3-го типа, очевидно преимущественно с инфракрасными головками самонаведения, реагирующими на свечение ракетного факела.

Ракеты проходят активный участок траектории за время, как мы видели, порядка 100 сек. Поэтому важной характеристикой перехватчика, в основном определяющей эффективный радиус поражения R, является скорость относительно боевой станции:

R = VT, где T – время, выделяемое средствам КО для активных действий.

Надо сказать, что это время, вообще говоря, меньше длительности активного участка.

Во-первых, перехватчик должен разогнаться до полной скорости, так что величина t_разг/2 вычитается из начального времени.

Во-вторых, есть еще одно затруднение. Место старта может быть закрыто облачностью (естественного или искусственного происхождения).

Гарантированно можно обнаружить стартовавшую ракету лишь после того, как она выйдет на высоту ~10км (выше облачности). Время подъема на высоту 10 км (1/10 – 1/15 высоты активного участка) занимает ~ 20-30% всего времени прохождения активного участка.

Если время, располагаемое кинетическим оружием для активных действий, положить равным 100 с, то конечная скорость перехватчика должна быть ~ 10 км/с, чтобы обеспечить радиус поражения 1000 км, сравнимый с радиусом поражения других видов космического оружия.

Минимально допустимая скорость составляет 3-4 км/с; она позволяет перехватчику подойти к границе атмосферы с орбиты высотой 400 км.

Время прохождения баллистического участка боеголовками и ложными целями ~1000 с, причем цели движутся по баллистическим траекториям, что позволяет точно определить их траекторию. Это позволяет применять КО 1-го типа, если, естественно, произвести точное прицеливание. Понятно, что для этого участка необходимы и меньшие скорости снарядов, т.к. время перехвата на порядок больше, чем на активном участке. Кроме этого, за счет упрощения конструкции снарядов 1-го типа может быть увеличен боезапас.

Боевые космические станции баллистического участка предполагается целесообразным размещать на высоте порядка 1000 км.

Проведенный разбор ситуаций, в которых можно использовать КО, указывает на то, что необходимо обеспечение высокой скорости снаряду-перехватчику.

Если взять снаряд массой 1 кг и скорость V=10 км/с, то кинетическая энергия составляет 50 МДж. Эта энергия сравнима с энергией лазерного и пучкового оружия.

Похоже, что величина порядка 100 МДж/выстрел оказывается универсальной как для КО, так и для лазеров.

Из имеющихся возможностей придания телам высоких скоростей отметим следующие:

1. стрельба из АО (давление пороховых газов)

2. использование ракетного разгонного двигателя

3. электромагнитное ускорение.

В АО предельно допустимая скорость 2 км/с. Для расположения на космических станциях существует проблема компенсации отдачи. Это может ограничить скорострельность.

Параметры реактивного разгона снаряда могут быть получены из формулы Циолковского:

V = V₀ln(M/m), где V – конечная скорость, сообщаемая полезной нагрузке m.

M – начальная масса перехватчика (М>>m);

V₀ – скорость истечения газов из сопла двигателя.

Для ракет на жидком топливе эта величина достигает 4,5 км/с, но жидкие топлива малопригодны, т.к. имеют малое время хранения. В США обсуждаются лишь твердотопливные ракеты, для которых V₀ = 2,5-3 км/с.

Время разгона до конечной скорости может составлять от 10 до 100 сек.

П осмотрим энергетику такого перехватчика.

Обозначим V/V₀ = y. Тогда из формулы Циолковского

П одставляя значения в эту зависимость можно

получить КПД.

Считается разумным брать V ~ 6V₀ (т.е. 15-18 км/с).

y	y2	e-y	
2			0,54
3			0,45
4			0,29
5			0,165
6			0,09
7			0,044

Перейдем к рассмотрению КО с использованием электромагнитных сил разгона. Здесь длительность воздействия может быть значительно увеличена по сравнению с пороховыми системами.

Н аиболее простой пример электромагнитной ускоряющей системы – так называемый “рельсотрон”. Идея проста. К двум параллельным токонесущим шинам - рельсам прикладывается напряжение от источника питания.

Если замкнуть контур, поместив на шины проводящий элемент, который бы имел хороший контакт с шинами, то возникает электрический ток  магнитное поле, это поле создает давление P = H²/8, которое стремиться раздвинуть проводники, образующие контур. Массивные шины-рельсы закреплены. Единственным подвижным является проводящий элемент, который начинает двигаться. Предельная скорость, до которой может разогнаться тележка определяется соотношением:

V² = 2aS , где S – длина разгона; a – эффективное ускорение.

Для его оценки вычислим давление магнитного поля. Положим H = 10⁵ Гс.

Тогда P = 410⁸ дин/см² = 400 атм. Пусть эффективная толщина элемента 10 г/см², тогда ускорение составит 410⁵ м/с² или 410⁴g. При таких условиях скорость 10 км/с достигается на длине 125 м, а скорость 20 км/с на длине в 500 м.

Время разгона равно V/a, что составит для типичных ускорителей сотые доли секунды.

Заметим, что от полной массы элемента приведенные значения не зависят, полная масса сказывается только на суммарных энергозатратах.

Длины увеличивать нецелесообразно. Надо увеличивать ускорение (1. Повышать магнитное давление; 2. Уменьшать эф. массу).

Увеличение давления магнитного поля не может быть безграничным. При давлении ~ 1000 атм достигается порог механической устойчивости. Систему очень длинных шин, распираемых внутренним давлением, трудно сделать жесткой и прочной.

Если механическую прочность как-то можно попытаться увеличить за счет увеличения массы конструкции, то против потери тепловой стойкости увеличение массы не поможет.

При длительности токового импульса порядка сотых долей секунды толщина скин-слоя в меди составляет 1 см. Магнитному полю 120 кГаусс в этом случае соответствует плотность тока 100 кА/см². Это приводит к тепловым потерям в материале 400 Дж/см³ при длительности импульса тока 20 мс (медь нагревается до 120С).

Тепловой нагрев шин ограничивает скорострельность системы, а любое тепловое повреждение ухудшает воспроизводимость характеристик выстрелов.

Желание уменьшить массу снаряда вступает в противоречие с необходимостью иметь хорошую систему самонаведения.

Еще одним следствием больших токов является то, что элемент (сечение которого меньше сечения шин) должен расплавиться, испариться и частично превратиться в плазму. Такое плазменное облако становится своеобразным поршнем для снаряда, который должен быть электрически изолирован от плазмы. В связи с этим рассмотрим возможность пластиковых снарядов.

Кроме того, существует проблема завершения разгона. Чтобы снаряд оторвался от плазменного поршня, последний должен исчезнуть или замедлиться. Для исчезновения плазменного поршня требуется разрыв электрической цепи. Разрыв сильноточной электрической цепи приводит к пробоям. Снаряд получит перпендикулярный случайный импульс, что нежелательно.

Наконец, само движение плазменного поршня подвержено действию многочисленных плазменных неустойчивостей, которые трудно предусмотреть и устранить заранее.

Возможен, как мы видели, и бесконтактный способ ускорения, основанный на использовании, например, разновидности индукционного линейного мотора. Здесь замкнутый виток выталкивается в область с меньшим значением магнитного поля. Виток движется вдоль осевой линии цепочки внешних катушек, на которые поочередно в фазе с движением витка подается напряжение (подобные схемы мы рисовали). Такая система даже предлагалась для доставки лунного грунта с луны на землю выстрелами до 100 кг. Однако, как показали расчеты, линейные размеры такой системы составят десятки км.

И все же самой, пожалуй, серьезной проблемой для электромагнитных систем оказывается энергетика. Типичными источниками энергии для электромагнитных систем в настоящее время являются униполярные генераторы (маховики) с энергоемкостью до 10 Дж/г (10 МДж/т). Если от системы требуется высокая скорострельность, то энергия должна запасаться заранее, при этом масса системы может составить до тысячи тонн.

Итак, электромагнитным системам свойственны ряд недостатков, основные:

1. значительные линейные размеры

2. непомерно большая масса энергосистем.

Поэтому в настоящее время прямое использование таких систем невозможно. Для применения необходимо выполнение значительных усовершенствований.

Сравнительные характеристики КО:

Система	Типичные скорости	Эффект. ускорен. g	Линейный размер, м	Время разгона, с	Масса снаряда	Энергетика	Способ перехвата	Ограничения
1. Артиллерия	2-3	103-104	До десятка	0,1	Кг-ы	Умеренное кол-во	Самонаведение Баллист	Скорость огранич. скор-тью порохов. газов
2. Снаряды-перехват	5-10	10-100	Несколь. метров	10-100	До десятков кг	Большие запасы топлива	Самонаведение	Большая начальн. масса при большой конечн. скорости
3. Э/м системы: быстрые	8 (до 20)	104-105	Сотни метров	10-2	1-1000 т	Крупная энергос.	Баллист	Механич. и теплов прочнос. плазм. неустой.
Медленные	3-5	103	Тысячи метров	1	Десятки кг		Самонаведение