Министерство образования и науки Российской федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Пермский национальный исследовательский

политехнический университет»

А.А. Григорьев введение в авиационную и ракетную технику

Допущено Учебно-методическим объединением

высших учебных заведений Российской Федерации

по образованию в области авиации, ракетостроения и космоса

в качестве учебного пособия для студентов

высших учебных заведений РФ, обучающихся по специальности

160700 «Проектирование авиационных и ракетных двигателей»

и направлению подготовки бакалавров

160700 «Двигатели летательных аппаратов»

Издательство

Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2014

УДК 621.452.3.01(78)

Г83

Рецензенты:

д-р техн. наук, профессор В.Г. Августинович

(ОАО «Авиадвигатель»);

д-р техн. наук, профессор Х.С. Гумеров

(Уфимский государственный авиационный

технический университет)

Григорьев А.А.

Г83 Введение в авиационную и ракетную технику: учебное пособие/

А.А. Григорьев. – 2-е изд., перераб. и доп. – Пермь : Изд-во Перм. нац.

исслед. политехн. ун-та, 2014. – 176 с.

ISBN 978-5-398-01276-7

Изложены основы теории полета и конструкции летательных аппаратов различных типов, дана характеристика их силовых установок. Приведена краткая история развития авиационной и ракетно- космической техники.

Предназначено для студентов, обучающихся по специальности «Проектирование авиационных и ракетных двигателей» и направлению подготовки бакалавров «Двигатели летательных аппаратов».

УДК 621.452.3.01(78)

ISBN 978-5-398-01276-7

©

ПНИПУ, 2014

Введение

Область применения авиации

Авиация – широкое понятие, связанное с полетами в атмосфере аппаратов тяжелее воздуха.

Атмосфера Земли – это газовая (воздушная) среда вокруг Земли, которая вращается вместе с Землей как единое целое.

Нижней границей атмосферы служит поверхность Земли, верхняя ее граница точно не установлена. Условно за верхнюю границу принимают высоты 2000 – 3000 км, где плотность воздуха в 16·10¹⁷ раз меньше, чем у Земли.

Газовый состав атмосферы: – азот (N₂) 78%; – кислород (О₂) 21%; – углекислый газ (СО₂) 0,03%; – аргон (Ar); – неон (Ne); – гелий (He); – водород (H).

В слое от 0 до 100 – 110 км высоты происходит сильное перемешивание газов, и поэтому ее состав мало меняется, этот слой называется – гомосферой (от греч. homos – равный, одинаковый) или – турбосферой.

В

Рис. В.1. Деление атмосферы по характеру изменения температуры

ыше, в гетеросфере (от греч. heteros – другой), химический состав атмосферы изменяется. До высоты 400…600 км сохраняется азотно-кислородный состав атмосферы, однако, начиная с высот 110…120 км, практически весь кислород находится в атомарном состоянии, появляется так же атомарный азот. Далее до высоты около 1600 км, в атмосфере преобладает гелий, а с высот около 3000 км – водород. Так постепенно атмосфера Земли переходит в межзвездный газ, состоящий по массе из примерно 76% водорода и 23% гелия.

Во всем диапазоне увеличения высоты Н уменьшаются плотность ρ_в и давление р_в воздуха. Основная масса воздуха (90%) сосредоточена в слое до высоты 30 км.

По характеру изменения с высотой температуры воздуха Т_в атмосфера делится на несколько слоев (рис. В.1):

Тропосфера ~ 0…11 км, в которой сосредоточено до 79% всей массы атмосферы. Для нее характерны очень интенсивное вертикальное перемешивание воздуха, ветры, облачность, выпадение осадков. Серьезную опасность для полетов самолета представляют такие атмосферные явления в тропосфере, как обледенение, грозы, порывистые ветры, пыльные бури, которые могут вызывать «болтанку» или опасные вибрации самолета, создать «перегрузки», нарушить балансировку, устойчивость, управляемость. Особенно опасны возникающие на высоте 8 – 10 км струйные течения, представляющие собой ураганные ветры со скоростью 30 – 100 км/ч. Для коротковолнового излучения Солнца атмосфера «прозрачна», поэтому основная доля солнечной радиации поглощается поверхностью Земли. В тропосфере воздух нагревается за счет тепла от поверхности земли, поэтому с увеличением Н температура воздуха Т_в снижается (см. рис. В.1).

Стратосфера ~ 11…55 км. Температура воздуха до высоты 25 – 30 км почти постоянная и равна –56,5^о С, затем повышается на 1 – 2^о на каждый километр и на верхней границе стратосферы становится положительной. На высотах более 10 и до 50 км кислород О₂, поглощая ультрафиолетовую (УФ) радиацию, диссоциирует (распадается) на атомарный кислород О, который, взаимодействую с О₂, образует озон О₃. Максимальная концентрация озона наблюдается на высотах 25 – 28 км в стратосфере. В слое атмосферы от 10 до 50 км в значительной степени поглощается УФ часть солнечного спектра, губительная для биологических форм жизни на Земле. УФ солнечная радиация является главным фактором нагревания воздуха в стратосфере (см. рис. В.1).

Мезосфера ~ 55…85 км, в которой при увеличении Н уменьшается Т_в, достигающая на верхней границе –75^о С.

Термосфера ~ 85…800 км. С увеличением Н увеличивается Т_в. На высоте 150 км температура воздуха равна 220…240^о С, на высоте 200 км температура более 500^о С. Так как плотность воздуха в термосфере очень мала, то высокие температуры не могут вызвать нагревание находящегося там тела.

Границы между слоями меняются в зависимости от времени и места и представляют собой переходные слои толщиной от нескольких сот метров до нескольких километров. Переходные слои носят названия: – тропопауза; стратопауза; мезопауза (см. рис. В.1).

Современная авиация освоила слой атмосферы от 0 до 30 километров.

В диапазоне высот от 0 до 1 км наблюдается явление турбулентности атмосферы (беспорядочное изменение Т_в и р_в, скорости и направления ветра), что может вызвать "болтанку" летательного аппарата (ЛА).

Космическое пространство – представляет собой очень разряженную газовую среду, доступную только космическим аппаратам.

Экзосфера – сфера рассеяния расположена выше 800 км и мало изучена. Температура возрастает до 2000^о С, при этом скорости частиц газов достигают 12 км/с, и некоторая их часть уходит из поля земного притяжения.

Краткая история развития авиации

Появлению ЛА тяжелее воздуха предшествовали ЛА легче воздуха, использующие для полета аэростатическую подъемную силу, механизм образования которой был открыт Архимедом еще в 3 веке до нашей эры.

Закон Архимеда гласит – "На всякое тело, погруженное в жидкость (газ), действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной жидкости (газа)".

Первые воздушные шары появились в 1783 году: - тепловой аэростат монгольфьер, построенный французами братьями Монгольфье (рис. В.1, а); - водородный шар-аэростат, построенный французом Ж. Шарлем (рис. В.1, б).

В

а б в

Рис. В.1. Аэростаты: а – тепловой аэростат братьев Монгольфье; б – водородный

шар-аэростат Ж. Шарлье; в – управляемый дирижабль А. Жиффара

1852 году совершил первый полет управляемый аэростат – дирижабль француза А. Жиффара (рис. В.1, в).

Тепловые аэростаты – монгольфьеры были надолго забыты и только в наше время, на новом техническом уровне они получили второе рождение. Тепловой аэростат состоит из открытой снизу оболочки, к которой крепится гондола с экипажем. Для нагрева воздуха в газовой горелке сжигается пропан, хранящийся в жидком состоянии в баллонах. Управление высотой полета производится изменением температуры воздуха в оболочке путем регулирования газовой горелки.

Первые схемы ЛА тяжелее воздуха – мускулолеты с вращающимися винтовыми поверхностями – винт Архимеда (рис. В.2, а) и машущими крыльями (рис. В.2, б) были предложены еще Леонардо да Винчи в 1475 году.

В 1754 году Михаил Васильевич Ломоносов построил модель вертолета с соосно-расположенными воздушными винтами и пружинным приводом (рис. В.2, в), доказав возможность получения подъемной силы подобным образом.

В 1799 году Дж. Кейли предложил ЛА с неподвижным крылом и сделал первый планер для полета человека. В 1883 году А.Ф. Можайский в России построил самолет с приводимыми паровыми двигателями воздушными винтами (ВВ), но его ЛА не смог самостоятельно оторваться от земли.

Уилбер Райт

Орвил Райт

а б в

Рис. В.2. Проекты первых ЛА тяжелее воздуха: а, б – мускулолеты Леонардо да Винчи;

в – аэродинамическая машина М.В. Ломоносова

17.12.1903 года совершил первый управляемый полет ЛА Флайер 1 (рис. В.3) с поршневым двигателем внутреннего сгорания (ДВС) американцев братья Райт. Этот день считается всемирным днем рождения авиации.

Появление относительно легких двигателей внутреннего сгорания (ДВС) привело к бурному развитию авиации. Вуазен, Блерио, Фарман, Ньюпор, Фоккер, Капрони вошли в мировую историю как первые конструкторы аэропланов.

К

Рис. В.3. Флайер 1

1910 году скорость полета ЛА достигала – 80 км/ч, высота полета – 3000 м, дальность полета – 600 км. Первые самолеты строились из дерева с матерчатой обтяжкой крыла и оперения и отличались большим разнообразием конструктивных и аэродинамических схем. Практические запросы авиации по увеличению скорости полета стимулировали развитие новой науки – аэродинамики.

Б

Н.Е. Жуковский

ольшой вклад в развитие авиации внес русский ученый Николай Егорович Жуковский – основоположник современной аэрогидродинамики. Он создал логически последовательную вихревую теорию крыла и гребного винта, организовал аэродинамические лаборатории в Московском государственном университете и Московском высшем техническом училище, создал в поселке Кучино под Москвой первый в мире аэродинамический институт. По инициативе Н.Е. Жуковского в 1918 году был создан Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ), которым он руководил до самой смерти. Исследования Н.Е.Жуковского и его учеников С.А. Чаплыгина, Б.Н. Юрьева, В.П. Ветчинкина и других легли в основу современной аэродинамики.

К

Рис.В.4. Бомбардировщик "Илья Муромец"

началу Первой мировой войны появилась военная авиация. В России – бомбардировщик "Илья Муромец" (рис. В.4) и истребитель С-16 Сикорского И.И., гидро-самолеты Григоровича Д.П. Военные самолеты почти полностью вытеснили дирижабли из военного дела.

К концу Первой мировой войны скорость полета ЛА уже достигала – (200…220) км/ч, высота полета – (6…7) км. Наиболее распространенная схема самолетов в этот период – биплан, самолет, имеющий два крыла, расположенные одно над другим (см. рис. В.4).

В период между Первой и Второй мировыми войнами в США и Европе активно развивалась гражданская авиация. В России, в основном, развивалась военная авиация и создавались рекордные самолеты. Выросла целая плеяда отечественных авиаконструкторов:

Т

Рис. В.5. Рекордный самолет АНТ -25

уполев А.Н., под его руководством были созданы: разведчики Р-3 и Р-6; бомбардировщики ТБ-1, ТБ-3; рекордный самолет АНТ-25 (рис. В.5), совершивший перелет в США через северный полюс, АНТ-37Бис "Родина" (сверхдальние перелеты), АНТ-20 "Максим Горький" (сверхтяжелый самолет); пассажирские АНТ-3, АНТ-9, АНТ-14.

П

а б

Рис. В.6. а – учебный У-2 (По-2); б – истребитель И-15 Бис

оликарпов Н.Н., под его руководством были созданы: учебный У-2 (По-2) (рис. В.6, а); истребители И-5, И-15 Бис, И-16 (рис. В.6, б), И-153 "Чайка"; разведчик Р-5.

Яковлев С.А. создал: ближний бомбардировщик ББ-1; пассажирский Як-12 "Летающий автомобиль".

Н

а б

Рис. В.7. а – штурмовик Ил-2; б – пикирующий бомбардировщик Пе-2

акануне Второй мировой войны в СССР были созданы по заказу правительства: средний бомбардировщик Ил-4; штурмовик Ил-2 "Летающий танк" (Ильюшин С.В.) (рис. В.7); истребители Як-1; ЛаГГ-1 (Лавочкин С.А.); высотный истребитель МиГ- 1 (Микоян А.И.); пикирующий бомбардировщик Пе-2 (рис. В.7), дальний бомбардировщик Пе-8 (Петляков В.М.); фронтовой бомбардировщик Ту-2; многоцелевой истребитель авиации военно-морского флота Су-2 (Сухой П.О.).

В

а б

Рис. В.8. Истребители: а – Як-3, б – Ла-5

ходе ВОВ были созданы: истребители Як-7, Як-9, Як-3 – лучший ис требитель Второй мировой войны (рис. В.8, а), Ла-5 (рис. В.8, б), Ла-7, на котором летчик Кожедуб И.Н. в воздушных боях сбил 62 самолета противника), МиГ-3, Су-6, Су-8.

П

А.Н. Туполев

А.С. Яковлев

С.В. Ильюшин

Н.Н. Поликарпов

осле ВОВ, с появлением воздушно-реактивных двигателей (ВРД), началось бурное развитие реактивной авиации.

В

А.И. Микоян

П.О. Сухой

КБ Микояна А.И. были созданы истребители: МиГ-9, МиГ-15 (рис. В.9), МиГ-17, МиГ-19 (первый отечественный сверхзвуковой самолет), МиГ-21 (легкий истребитель с треугольным крылом), МиГ-23 (первый отечественный самолет с изменяемой стреловидностью крыла), МиГ-25 (самый скоростной в мире серийный перехватчик), МиГ-29, МиГ-31 (рис. В.10.).

В

Рис. В.11. Штурмовик Су-25

Рис. В.12. Перехватчик Су-27

Рис.В.9. Истребитель МиГ-15

Рис.В.10. Перехватчик МиГ-31

КБ Сухого П.О. были созданы: перехватчики с треугольным крылом Су-9, Су-15; истребитель Су-7; штурмовик Су-25 (рис. В.11); истребитель-бомбардировщик Су-17; фронтовой бомбардировщик с изменяемой стреловидностью крыла Су-24; перехватчик Су-27 (рис. В.12); многоцелевые истребители Су-30, Су-32, Су-35; штурмовик Су-39; экспериментальный истребитель с крылом обратной стреловидности Су-47 "Беркут"; средне-магистральный пассажирский самолет «Суперджет».

В

Рис.В.13. Самолет Ту-134

Рис.В.14. Самоле Ту-214

КБ Туполева А.Н. были созданы: дальний бомбардировщик Ту-16 и на его основе – первый отечественный реактивный пассажирский самолет Ту-104; стратегический бомбардировщик с турбовинтовыми двигателями Ту-95 и на его основе – дальне-магистральный пассажирский самолет Ту-114; дальний сверхзвуковой бомбардировщик Ту-22; дальний сверхзвуковой бомбардировщик с изменяемой стреловидностью крыла Ту-22М (М2, М3); стратегический сверхзвуковой бомбардировщик Ту-160. Пассажирские самолеты: средне и дальне-магистральные Ту-124, Ту-134 (рис.1.13), Ту-154, Ту-204, Ту-214 (рис.В.14); первый сверхзвуковой Ту-144; аэробус Ту-330.

В

Рис.В.15. Самолет Ил-96-300

Рис.В.16. Самолет Ил-76

КБ Ильюшина С.В. были созданы: первый фронтовой реактивный бомбардировщик Ил-28. Гражданские самолеты: пассажирский самолет с поршневым двигателем Ил-14; турбовинтовой пассажирский Ил-18; дальне-магистральный Ил-62; средне-магистральный аэробус Ил-86; дальне-магистральный аэробус Ил-96-300 (рис. В.15); средний транспортный Ил-76 (рис.В.16); турбовинтовой самолет для местных линий Ил-114.

В

Рис. В.17. СВВП Як-141

Рис. В.18. Самолет Як-40

КБ Яковлева А.С. были созданы: первый реактивный истребитель Як-15; поршневой вертолет продольной схемы Як-24 "Летающий вагон"; фронтовые бомбардировщики (разведчики) Як-25, Як-28; палубные истребители с вертикальным взлетом и посадкой (СВВП) Як-36, Як-38, Як-141 (рис. В.17); тренировочно-боевой Як-130. Гражданские самолеты: учебные (спортивные) с поршневым двигателем Як-18, Як-50, Як-52; Як-54; учебный реактивный Як-30; пассажирские Як-40 (рис.В.18), Як-42; административный Як-58.

В КБ Антонова О.К. были созданы: - многоцелевые самолеты с поршневым двигателем Ан-14 «Пчелка», Ан-2 «Кукурузник» (выпускался с 1947 по 1993 год); Ан-3 (аналог самолета Ан-2 с турбовинтовым двигателем); пассажирские самолеты с турбовинтовыми двигателями для местных линий Ан-24, Ан-38, Ан-140; легкие транспортные самолеты Ан-26, Ан-32; грузо-пассажирский самолет для северных районов Ан-74 (рис. В.19); средние транспортные самолеты с турбовинтовыми двигателями Ан-8, Ан-12, Ан-70 (рис. В.20); тяжелые транспортные самолеты Ан-22 «Антей», Ан-124 «Русл

Рис. В.19. Самолет Ан-74

Рис. В.20. Самолет Ан-70

ан»; сверхтяжелый транспортный самолет Ан-225 «Мрия» (Мечта).

В

Рис.В.21. Самолет М-3 «Атлант»

Рис.В.22. Самолет М-55

КБ Мясищева В.М. были созданы: стратегические бомбардировщики М-50, М-3; тяжелый транспортный ВМ-Т "Атлант" (рис.В.21); - высотный разведчик М-55 «Стратосфера» (рис. В.22) и на его базе – высотная летающая лаборатория «Геофизика».

В КБ Бериева Г.М. были созданы: тяжелые турбовинтовые гидросамолеты Бе-6, Бе-10, Бе-12 (рис.В.23); тяжелый реактивный гидросамолет Бе-200 «Альбатрос» (рис. В.24); турбовинтовой пассажирский самолет для местных линий Бе-32.

Рис. В.23. Самолет Бе-12

Рис. В.24. Самолет Бе-200 «Альбатрос»

Развитие авиации стало возможно только благодаря развитию авиационных двигателей, которое в свою очередь, стимулировалось потребностями авиации.

О.К. Антонов

В.М. Мясищев

Г.М. Бериев

Первый полет самолета (Братья Райт) стал возможен только с появлением легкого и мощного поршневого ДВС. Для полетов с трансзвуковыми и сверхзвуковыми скоростями поршневой ДВС уже не годился – появились воздушно-реактивные двигатели (ВРД). Для полетов с гиперзвуковыми скоростями компрессорные ВРД уже не годились – появились прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ПВРД). Для полетов в космическом пространстве ПВРД уже не годились – появились ракетные двигатели.

Краткая история развития ракетно-космической техники

Первые упоминания о ракетах датируются первым тысячелетием нашей эры. В Китае пороховые ракеты использовались как сигнальные и боевые.

В России первое упоминание о ракетах – 1621 год в «Уставе ратных, пушечных, и иных дел до военной науки касаемых». В девятнадцатом веке широкое применение пороховые ракеты нашли в войнах в Крыму и на Кавказе, так как горная местность затрудняла использование артиллерии. Именно в это время русский артиллерист, конструктор и изобретатель генерал-лейтенант Засядко Александр Дмитриевич разработал состав твердого топлива на основе дымного пороха и сконструировал ракету, имевшую дальность полета 6 км., и даже рассчитал сколько потребуется топлива для полета на Луну. Впервые в мире построил ракетную установку залпового огня из 6-ти ракет (прототип современных установок «Град» и «Ураган»), наладил массовое производство нового вида оружия, подготовку специалистов ракетных подразделений. Благодаря этому, например, одного залпа ракетного дивизиона хватило для капитуляции турецкого гарнизона крепости Варна.

Однако ракеты, использовавшие в качестве основы твердого топлива дымный порох с повышенным содержанием древесного угля (для замедления процесса горения), имели ограниченную дальность полета.

В

С.П. Королев

1903 году Циолковский К.Э. впервые предложил идею и схему жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) в статье «Исследование мировых пространств реактивными приборами». В поисках возможностей увеличения дальности полета ракет, специалисты в ряде стран обратили внимание на то, что использование двигателей на жидком топливе может обеспечить существенное увеличение скорости, а, следовательно – дальности полета ракет. Это объяснялось более высокой энергетикой жидких топлив по сравнению с порохами. В 1926 году состоялся первый полет ракеты с ЖРД инженера Годдарда из США. В августе 1933 года в СССР состоялся первый запуск ракеты с ЖРД конструкции В.П. Глушко, созданной в московской группе изучения реактивного движения (ГИРД), под руководством Сергея Павловича Королева. Во время Второй Мировой войны СССР широко применял авиационные неуправляемые реактивные снаряды (НУРС) и наземные ракетные системы залпового огня «Катюша». В 1942 году в Германии состоялся первый полет баллистической ракеты малой дальности (270 км.) V-2 (ФАУ-2) конструктора Фон Брауна, что явилось настоящим прорывом в мировом ракетостроении.

После Второй мировой войны началась «холодная война» между СССР и странами западного мира, которая стимулировала развитие ракет военного назначения в США, Франции и СССР.

В

Рис. В.25. Р-1

СССР под руководством Сергея Павловича Королева были созданы и приняты на вооружение ракетные комплексы оснащенные одноступенчатыми баллистическими ракетами (БР): в 1950 году – ракета Р-1 (рис. В.25), была точной копией немецкой ракеты V-2 и имела дальность полета 270 км; в 1951 году – ракета Р-2 с дальностью полета 600 км; в 1956 году – ракета Р-5 с дальностью полета 1200 км; в 1957 году – первая в мире межконтинентальная баллистическая ракета (МБР) Р-7 (рис. В.26, а)с дальностью 8000 км. С помощью ракеты Р-7 в 1957 году был осуществлен вывод на орбиту Земли первого искусственного спутника. Создание ракеты Р-7 стало эпохальным событием в развитии отечественной ракетно-космической техники. Достаточно сказать, что эта ракета с минимальными доработками до сих пор используется для вывода в космос пилотируемых кораблей.

Р-7 была управляемой жидкостной двухступенчатой межконтинентальной баллистической ракетой, выполненной по пакетной схеме и состоявшей из пяти блоков: одного центрального и четырех боковых. Центральный блок считался второй ступенью ракеты. Он нес на себе, отделяющуюся в полете, головную часть с ядерным боезарядом мощностью 3 Мт (эквивалент – 3 млн. тонн тротила). К нему симметрично крепились четыре боковых блока, которые вместе с центральным блоком составляли «пакет» – первую ступень ракеты. Время работы двигателей боковых блоков было примерно 120 с., центрального блока – до 290 с.

На ракете Р-7 в качестве компонентов ракетного топлива использовались керосин и жидкий кислород. Такое ракетное топливо обладает высокой энергетикой и не является токсичным, что особенно важно при запуске пилотируемых кораблей. Однако использование в качестве окислителя жидкого кислорода не позволяет хранить ракеты в заправленном состоянии длительное время и увеличивает время готовности ракеты к пуску, что делает невозможным применение таких ракет в качестве боевых. В дальнейшем С.П. Королев сосредоточился в основном на мирных космических программах, где использовались ракеты с ЖРД, работающими с использованием криогенного окислителя – жидкого кислорода.

В

М.К. Янгель

конце 50-х годов 20-го столетия под руководством заместителя С.П. Королева М.К. Янгеля в Днепропетровске было создано особое конструкторское бюро – КБ «Южное» для проектирования и производства баллистических ракет военного назначения с ЖРД на топливе с высококипящими компонентами, позволяющими заправленной топливом ракете длительное время находиться на боевом дежурстве.

В КБ «Южное» началась разработка комплексов с одноступенчатыми ракетами средней дальности (РСД) Р-12 с дальностью полета 2000 км и Р-14 с дальностью полета 4500 км, которые были приняты на вооружение в 1959 и 1951 г.г. соответственно. Именно принятие в 1959 году на вооружение ракеты Р-12 стало причиной появления нового вида вооруженных сил «Ракетные войска стратегического назначения» (РВСН).

Опыт создания в КБ М,К. Янгеля РСД Р-12 и Р-14 на высококипящих компонентах ракетного топлива показал возможность разработки на этом же топливе и межконтинентальной баллистической ракеты (МБР). Созданная МБР Р-16 (рис. В.26, б) являлась первой в мире межконтинентальной двухступенчатой ракетой (с последовательным расположением ступеней) с двигателями на высококипящем окислителе (смесь азотного тетраксида и азотной кислоты). Р-16 была принята на вооружение в 1961 году и имела моноблочную головную часть мощностью 5 Мт и максимальную дальность полета 13000 км.

Создание ракетного щита страны требовало от военных и гражданских специалистов самоотверженности и мужества. Так при отработке ракеты Р-16 произошло трагическое событие. 24 октября 10960 года при подготовке первого пуска ракеты, в тот момент, когда она в заправленном состоянии находилась на стартовом столе, прошла несанкционированная команда на запуск двигательной установки второй ступени, следствием чего стало разрушение всей ракеты. Более 100 тонн самовоспламеняющегося топлива хлынули на землю. Погибло много ведущих специалистов, присутствовавших на стартовой площадке, в их числе председатель Государственной комиссии по испытанию ракеты Р-16 Главнокомандующий РВСН Главный маршал артиллерии М.И. Неделин и главный конструктор системы управления Б.М. Коноплев.

Основными недостатками комплексов с ракетами Р-16 были низкая боевая готовность, сложность эксплуатации и недостаточная живучесть в условиях возможного ядерного нападения. На их устранение были направлены усилия разработчиков нового поколения МБР Р-36 (рис. В.26, в), УР-100 (рис. В.26, г) и РС-12 (рис. В.26, д). Все новые комплексы предполагалось размещать в позиционных районах с одиночными шахтными пусковыми установками, разнесенными на такие расстояния (несколько километров), чтобы две пусковые установки не могли быть поражены одним ядерным взрывом. Новое поколение ракетных комплексов должно было обеспечить по сравнению с существовавшими комплексами значительное сокращение времени на подготовку и пуск ракет, повышение их надежности, точности, уменьшение численности обслуживающего персонала.

С

В.Н. Челомей

итуация, сложившаяся в области стратегического ракетного вооружения в первой половине 60-х годов, характеризовалась существенным (более чем в четыре раза) отставанием СССР по количеству пусковых установок МБР от потенциального противника США. Несмотря на начало разработки «тяжелой» ракеты Р-36, было ясно, что сложная технология производства, как ракет, так и пусковых установок, не позволяет резко нарастить численный состав группировки РВСН.

Поэтому в 1963 году было принято решение о разработке ракетного комплекса с «легкой» ракетой УР-100 в ОКБ-52 под руководством В.Н. Челомея. Существенное снижение стартовой массы ракеты (42,3 т против 183,9 т у Р-36) потребовало практически десятикратного уменьшения мощности боевого заряда (1,1 Мт, против 10 Мт у Р-36). Для размещения ракеты УР-100 предполагалось создать малогабаритную и упрощенную конструкцию шахтной пусковой установки.

С целью увеличения времени пребывания ракеты без технического обслуживания на боевом дежурстве до нескольких лет, Р-36 и УР-100 были выполнены по «ампульной» схеме. То есть длительное хранение компонентов топлива в баках ракеты обеспечивалось изоляцией полостей топливных баков от воздействия атмосферы. Топливные системы и элементы автоматики двигательной установки защищались от воздействия агрессивных компонентов топлива специальными мембранами. Кроме того, УР-100 на всех этапах эксплуатации вплоть до пуска, р

а б в г д

Рис. В.26. Межконтинентальные баллистические ракеты первого и второго поколения:

а – Р-7; б – Р-16; в – Р-36; г – УР-100; д – РС-12.

азмещалась в герметичном транспортно-пусковом контейнере (ТПК).

Ракета РС-12 была первой отечественной МБР на твердом топливе, принятой на вооружение в 1968 году. Головным разработчиком РС-12 было КБ С.П. Королева. В создании и производстве комплекса участвовали КБ М.Ю. Цирульникова (ныне НПО «Искра») и ряд предприятий г. Перми. РС-12 была трехступенчатой ракетой с последовательным расположением ступеней, двигателями на смесевом твердом ракетном топливе. Необходимость третьей ступени объяснялась меньшей энергетикой твердого ракетного топлива по сравнению с жидким.

Первые МБР имели моноблочные головные части с одним боевым блоком (термоядерным зарядом). На Р-36 один из вариантов головной части был разделяющимся с одновременным неуправляемым разведением (разбросом) трех боевых блоков (ББ).

Ракеты РС-16 (рис. В.27, а), РС-18 (рис. В.27, б), РС-20 (рис. В.27, в) разрабатывались с разделяющимися головными частями (РГЧ), обеспечивающими прицельное последовательное разведение неуправляемых ББ, причем РС-20 имела 10 ББ, за что и получила в США название «Сатана». Эти ракеты создавались в кооперации КБ В, Ф. Уткина, сменившего М.К. Янгеля и КБ В.М. Челомея.

РС-16, РС-18, РС-20 были последними жидкостными боевыми МБР наземного базирования в СССР, имевшими две ступени и отличавшимися повышенной точностью (предельное отклонение от цели – 0,5 км., по сравнению с 5-ю км. у Р-36 и УР-100).

З

А.Д. Надирадзе

начительное повышение точности стрельбы баллистических ракет вероятных противников и знание ими точных координат шахтных пусковых установок, достигнутое к началу 80-х годов прошлого века, требовало принятия дополнительных мер по обеспечению живучести группировки МБР в условиях ядерного удара. Одной из таких мер является ввод в группировку мобильных ракетных комплексов. Первый такой комплекс был поставлен на боевое дежурство в середине 80-х годов в СССР. Это был мобильный грунтовый комплекс с ракетой РС-12М «Тополь» (рис. В.27, г), головным разработчиком которого была организация, возглавляемая А.Д. Надирадзе. В основу разработки комплекса был положен богатый опыт Московского института теплотехники по созданию мобильных грунтовых ракетных комплексов. Здесь был разработан и еще в 1977 году поставлен на вооружение первый мобильный ракетный комплекс средней дальности РСД-10 «Пионер», показавший исключительно высокую надежность.

МБР РС-12М – трехступенчатая твердотопливная ракета с моноблочной головной частью. В процессе эксплуатации ракета РС-12М находится в транспортно-пусковом контейнере, размещенном на мобильной пусковой установке. Пусковая установка смонтирована на базе семиосного шасси автомобиля МАЗ и оснащена агрегатами и системами, обеспечивающими транспортировку, поддержание в установленной степени боевой готовности, подготовку и проведение пуска ракеты.

МБР РС-22 (рис. В.27, д) разработана в 80-х годах прошлого века как противовес новой американской ракете МХ, и входила в состав мобильного железнодорожного ракетного комплекса (БЖРК). РС-22 – трехступенчатая твердотопливная ракета с разделяющейся головной частью из десяти ББ, отличалась высокой точностью, за что получила в США название «Скальпель».

а б в г д

Рис. В.27. Межконтинентальные баллистические ракеты третьего и четвертого поколения:

а – РС-16; б – РС-18; в – РС-20; г – РС-12М; д – РС-22.

В конце 1993 года Россия заявила о создании новой МБР, получившей в открытой прессе название «Тополь-М».

Этапы развития межконтинентальных баллистических ракет

Ракетные комплексы первого поколения (см. рис. В.26, а, б)

Первые МБР (Р-7) удовлетворяли требованиям только по двум показателям – дальности и мощности заряда ББ. Эти ракеты могли находиться на боевом дежурстве не заправленные окислителем (жидкий кислород) на открытых пусковых установках (ПУ) до 30 суток. Для запуска ракеты требовалась длительная (до суток) индивидуальная подготовка к пуску. Ракеты отличались низкой живучестью и точностью попадания в цель.

Следующим этапом в развитии МБР было создание ракет с двигателями, работающими на высококипящем топливе (Р-16). Эти МБР обладали существенно лучшими характеристиками. Отказ от жидкого килорода, применение полностью автономной инерционной системы управления, размещение ракет в шахтных пусковых установках и т. п. позволили поднять их характеристики, влияющие на эффективность боевого применения.

Ракетные комплексы второго поколения (см. рис. В.26, в, г, д)

На ракетных комплексах второго поколения (ракеты УР-100, Р-36, РС-12):

- применялись ракеты ампульного типа (топливо в баках герметизировалось), благодаря чему ракета могла находиться на БД более одного года;

- проверка систем, подготовка к пуску и автоматический пуск осуществлялись электро-дистанционно в течение нескольких минут;

- ракета на всех этапах эксплуатации и при пуске размещалась в транспортно-пусковом контейнере (ТПК);

- ракеты размещались в шахтных ПУ, удаленных друг от друга на несколько километров, и это повышало их живучесть.

Ракетные комплексы третьего поколения (см. рис. В.27, а, б, в)

Особенностью ракетных комплексов третьего поколения (ракеты РС-16 , РС-18, РС-20) были:

- разделяющаяся головная часть с прицельным последовательным разведением ББ;

- возможность перенацеливания в короткое время;

- повышенная точность поражения цели;

Ракетные комплексы четвертого поколения (см. рис. В.27, г, д)

Особенностью ракетных комплексов четвертого поколения (ракеты РС-12М, РС-22) были:

- применение твердотопливных ракет (высокая жесткость конструкции);

- мобильность;

- простота и безопасность эксплуатации;

- минимальное время на подготовку к запуску и запуск;

- возможность противоракетного маневра на траектории полета;

- высокая точность попадания в цель.

Ракета «Тополь-М» является дальнейшим концептуальным развитием ракеты РС-12М «Тополь». Для повышения эффективности управления ракетой на активном участке траектории полета был применен поворотный сопловой блок на эластичном опорном шарнире у двигателей первой и второй ступеней. Так как ракета «Тополь-М» разрабатывалась в период времени, когда США активно рекламировали программу создания средств противоракетной обороны космического базирования, то она оснащена защитными оболочками от возможных средств поражения.

Космические ракеты-носители (РН):

1. Ракета-носитель «Союз», разработанная под руководством С.П. Королева, базировалась на созданной к 1957 г. МБР Р-7 и ее модификации Р-7А. Модификациями, наиболее активно используемыми в качестве ракет-носителей космических летательных аппаратов (КЛА), стали: «Восток», созданный в 1062 году; «Восход» (1964 г.); «Молния-М» (1965 г.); «Союз-У» (1973 г.).

Ракета-носитель «Союз-У» (рис. В.28, а) – трехступенчатая ракета с двигателями, работающими на керосине и жидком кислороде, является самой высоконадежной (процент успешных запусков 97,5) и наиболее используемой из всех модификаций, разработанных на базе ракеты Р-7А. Ракетой-носителем «Союз-У» осуществляются все запуски пилотируемых космических кораблей «Союз» и грузовых «Прогресс», различных автоматических аппаратов.

В случае запуска пилотируемых космических корабле ракета оснащается системой аварийного спасения экипажа, установленной на вершине головного обтекателя.

Масса полезной нагрузки, доставляемой на орбиту ракетой-носителем «Союз-У» – 7100 кг. Общая продолжительность подготовки ракеты на космодроме от выгрузки из железнодорожных вагонов до пуска – около 62 часов. Из них подготовка ракеты непосредственно на старте занимает около 16 часов. Единственным недостатком «Союз-У» являются неудобства, связанные с использованием в качестве окислителя интенсивно испаряющегося жидкого кислорода, что вызывает необходимость непрерывно подпитывать баки окислителем вплоть до момента старта.

2. Тяжелая ракета-носитель «Протон-К» (рис. В.28, б), Серия этих ракет-носителей создана в 1968 г. на базе МБР УР-500. Имеет трехступенчатую компоновку и может доставить на низкую орбиту груз 20,6 тонн, а на геостационарную орбиту – 2,3 т. Фирма –разработчик – ОКБ В.Н. Челомея.

3. Сверхтяжелая универсальная ракета-носитель «Энергия», предназначенная для вывода в космос крупногабаритных КЛА на внешней подвеске. С ее помощью на орбиту был выведен многоразовый космический ЛА «Буран».

4

а б в г д

Рис. В.28. Ракеты-носители и многоразовые космические системы: а – «Союз-У»;

б – «Протон-К»; в – «Ариан –IV»; г – «Буран-Энергия»; д – «Спейс Шатл»

. Ракета-носитель «Ариан» (рис. В.28, в) является основным космическим транспортным средством стран Западной Европы. Разработана группой европейских космических фирм из Франции, Италии, Германии, Швейцарии, Великобритании. Модификация «Ариан-IV» может доставить на низкую орбиту груз 9,4 тонны. Отличительной особенностью этой ракеты является модульное построение компоновочной схемы в зависимости от потребной грузоподъемности.

5. Многоразовые комические системы «Буран – Энергия» (СССР) (рис. В28, г) и «Спейс Шатл» (США) (рис. В.28, д), предназначенные для вывода в космос многоразовых КЛА, способных самостоятельно возвращаться на Землю, совершая посадку «по самолетному» на специально оборудованные аэродромы.

6. Ракета-носитель, созданная на базе МБР РС-16 (см. рис. В.27, а), осуществляет доставку легких и средних спутников по программе «Морские старты» (США, Украина, Россия) с плавучего космодрома, находящегося на экваторе. Запуск ракеты-носителя с экватора является наиболее выгодным с точки зрения массы выводимой в космос полезной нагрузки, так как центробежная сила Земли имеет наибольшую величину на экваторе.

7. На базе ракеты РС-12М созданы космические комплексы «Старт-1» и «Старт» способные выводить легкие и средние спутники на околоземные орбиты с мобильной ПУ.