70-летию со дня рождения В.П. Макеева посвящается

Н.А. Обухов. В.С Шишкин

СОЗДАНИЕ МОРСКИХ ТВЕРДОТОПЛИВНЫХ РАКЕТ

Наряду с развитием ракетных комплексов с жидкостными ракетными двигателями в России значительное внимание уделяется разработке и созданию баллистических ракет с ракетными двигателями на твёрдом топливе, обладающих такими ценными качествами, как простота обслуживания на стартовой позиции и высокая готовность к старту. Однако до начала 70-х годов в нашей стране практически не разрабатывались твёрдотопливные стратегические морские ракетные комплексы. Это положение было обусловлено целым рядом объективных причин, к числу которых можно отнести и то обстоятельство, что до этого времени твёрдотопливные ракетные комплексы по своим техническим характеристикам значительно уступали жидкостным.

Успехи отечественной промышленности в разработке новых высокоэффективных твёрдых ракетных топлив, конструкционных и теплозащитных материалов, достигнутые к середине 70-х годов, а также накопленный опыт проектирования. изготовления и эксплуатации твердотопливных ракет, дали возможность практически приступить к разработке морских твёрдотопливных ракет, обладающих высокими тактико-техническими характеристиками и успешно решающих задачи, поставленные перед ВМФ страны. Однако простой перенос опыта создания сухопутных твёрдотопливных ракет на морские оказался в силу их существенных различий невозможен. Важными факторами, определяющими отличие морских ракет от сухопутных и оказывающими решающее влияние на область технических решений, способствующих достижению высоких энергетических характеристик двигателей, и на характеристики морских ракет, являются:

- условия старта (глубина, волнение моря, ход подводной лодки, нагрузки на корпус ракеты);

- условия эксплуатации (жёсткие ограничения габаритов шахты, морская среда, повышенные требования к безопасности и надёжности);

- точность определения координат места старта.

Указанные факторы предопределяют необходимость обеспечения существенно большего (на 20 — 25%) для морских, по сравнению с сухопутными ракетами, энергетического потенциала маршевых двигателей для достижения одной и той же дальности стрельбы при одинаковых полезных нагрузках. Это обстоятельство обуславливает поиск технических решений, обеспечивающих высокий технический уровень морских ракет. (Число технических решений, выполненных на уровне изобретений, реализуемых в конструкции ракет, постоянно увеличивается. Так, для ракетного комплекса, разработанного в 60-х годах, оно составляет 120 и приблизительно 500 для ракетного комплекса, разработанного в 80-х годах.)

Значительным успехом в вопросе создания морских твёрдотопливных ракет является факт разработки Конструкторским бюро машиностроения ракеты РСМ-52, принятой в эксплуатацию в 1983 году.

Общий вид ракеты представлен на фотографии. Ракета имеет оригинальную амортизационную ракетно-стартовую систему, .обеспечивающую горизонтальную и вертикальную амортизацию ракеты.

Маршевые двигатели ракеты имеют малое относительное удлинение с минимальными объёмами межступенчатых отсеков. Корпуса выполнены цельномотанными пластиковыми, снаряжены прочно скрепленными зарядами твёрдого топлива. На данной ракете впервые в практике отечественного и мирового ракетостроения реализован сопловой блок с раздвижным телескопическим раструбом. Всё это, а также ряд прогрессивных технических решений по другим системам ракеты, позволило впервые в нашей стране создать твёрдотопливный ракетный комплекс для подводного флота, превосходящий по ряду параметров зарубежный аналог. Разработанный ранее в Конструкторском бюро производственного объединения «Арсенал» морской комплекс с твёрдотопливной ракетой РСМ-45 был доведён лишь до опытной эксплуатации. Следует отметить, что эксплуатация морских твёрдотопливных ракет упрощает обслуживание системы по сравнению с жидкостными ракетами (в частности, за счёт исключения систем газоанализа, орошения и заполнения водой шахты перед стартом ракеты), повышает безопасность эксплуатации ракет.

Говоря об актуальных проблемах создания морских ракет, следует отметить как одну из основных задач — рациональное формирование требований к системам ракеты, определение потенциальных возможностей совершенствования систем, их вклада в решение основных задач комплекса и, соответственно с этим. эффективное распределение финансовых средств на их развитие. История развития как отечественного, так и зарубежного твердотопливного ракетостроения убедительно свидетельствует, что основной вклад в улучшение тактико-технических характеристик дают новые научные и инженерные разработки в области двигателестроения, в первую очередь, по таким направлениям, как создание новых видов твердых топлив, конструкций зарядов, новых композиционных материалов, более совершенных систем управления вектором тяги, а также тепло- и эрозионностойких материалов. Особенно ярко эта тенденция прослеживается применительно к двигательным установкам ракет морского базирования. По литературным данным, за последнее тридцатилетие в США коэффициент интенсивности (отношение суммарного импульса двигательной установки к её объему) возрос в 1,9 раза у маршевых двигателей стратегических сухопутных ракет и в 3,5 раза у морских ракет.

Особого подхода при разработке твёрдотопливных морских баллистических ракет требуют вопросы совершенствования топлив и конструкционных материалов. Это настолько взаимосвязанные направления, что зачастую эффект одного из них реализуется в другом. Так, разработка композиционных материалов, усовершенствование технологии и оборудования для их изготовления с целью реализации в конструкции корпусов двигателей высокой удельной прочности (~110 км) при коэффициенте вариации физико-механических свойств не более 3% дают возможность не только уменьшить массу конструкции двигателя, но и реализовать более высокие значения оптимальных давлений (до 12 — 15 МПа) в камере сгорания и тем самым достигнуть больших значений оптимальных степеней расширения сопел. Это позволяет получить повышенную величину практического удельного импульса тяги. При проведении таких расчетов необходимо учитывать, наряду с изменением массы конструкции и потерь удельного импульса, также физико-механические характеристики топлив. При применении для корпусов двигателей конструкционных материалов повышенной удельной прочности без одновременного увеличения модуля упругости материала, увеличение внутреннего давления в камере сгорания требует повышения физико-механических характеристик топлива либо изменения формы заряда. На рис.1 приведена взаимосвязь удельного импульса тяги двигателя и конструктивной удельной прочности материала. Расчёты проводились при сохранении массы конструкции двигателя, т.е. улучшение прочностных свойств материала реализовано через энергетические характеристики.

Определённый вклад в оптимизацию энергомассовых характеристик твёрдотопливных двигателей вносит также и проницаемость стенки корпуса, способность его обеспечить работоспособность заряда в условиях повышенной влажности. Интегральная оценка роста энерговооружености двигателей показывает, что по этим рассмотренным направлениям совершенствования 75 — 80% роста эффективности обеспечивается за счёт уменьшения массы конструкции и 20 — 25% за счёт практического удельного импульса.

Кроме материалов и топлив важное место в разработке твёрдотопливных ракет занимает проблема создания минимальной по массе системы управления вектором тяги, в частности, рулевого привода для органов управления.

Для питания рулевого привода у твёрдотопливных ракет требуется, в отличие от жидкостных, как правило, автономный источник питания (энергии), на который приходится более половины всей массы привода. Поэтому рулевой привод для твёрдотопливной ракеты тяжелее примерно в 2 раза по сравнению с аналогичным для жидкостной ракеты. Кроме значительной массы и габаритов, усложняющих размещение привода в ограниченных габаритах отсеков ракеты, в системах с традиционными рулевыми машинами существует проблема обеспечения требуемых динамических характеристик звена рулевая машина — -сопло, связанная с существенным влиянием на них жесткости элементов конструкции двигателя, самой рулевой машины и рабочего тела, участвующих в кинематической цепи передачи усилия. Проектно-поисковые исследования по совершенствованию различных элементов системы управления вектором тяги, в том числе по улучшению характеристик гидравлических силовых систем управления вектором тяги морских баллистических ракет, выявили, что наиболее эффективным путём достижения высокого массового совершенства и повышения надежности силовых систем является реализация в их составе газогидравлических рулевых машин. Кроме того, в результате исследований выявлена целесообразность применения на твёрдотопливных ракетах, управляемых на активном участке по всем каналам управления, многофункциональных энергетических систем, имеющих объединенный источник питания.

Необходимо отметить, что развитие твердотопливного двигателестроения к концу 80-х годов пошло к рубежу, когда дальнейшее улучшение характеристик РДТТ за счёт классических традиционных решений вступило в противоречие с экономическими и эксплуатационными факторами.

Создание твёрдотопливного комплекса с ракетой РСМ-52, разработка новых, более совершенных морских ракет на твердом топливе стали возможны благодаря применению принципиально нового подхода к процессу проектирования, доминирующим аспектом которого является многопараметрическая связь параметров двигательных установок с внешнебаллистическими, траекторными параметрами ракеты. Данное обстоятельство делает нерациональной автономную оптимизацию и выбор проектных параметров отдельно взятых систем ракеты и маршевых двигателей и приводит к необходимости выхода в процессе проектирования на параметры ракеты, а также на ограничения, обусловленные спецификой размещения и условиями старта. Этот подход составляет основу методологии проектирования морских баллистических ракет, создаваемых Конструкторским бюро машиностроения. Разработанная методология предусматривает декомпозицию общей задачи проектирования твердотопливных двигателей на ряд взаимосвязанных подзадач, обеспечение обмена информацией между ними и организацию циклического процесса проектирования. При этом весь процесс разделяется на два цикла:

Цикл 1. Предварительный расчёт области габаритно-массовых и расходно-тяговых характеристик двигателей, выбор базового варианта на основе оптимизационных расчетов параметров траектории, проводимых на базе интегральных параметров двигателей. Для этой цели используются упрощённые модели и простые алгоритмы.

Цикл 2. Анализ конструкции, процессов функционирования двигателей на основе современных моделей и алгоритмов, решаемых в зависимости от потребности (желание конструктора) в одно-, двух- и трёхмерных постановках.

На рис. 2 приведена логическая схема компьютерного проектирования носителя. Структурно весь вычислительный комплекс, условно названный «Сопот», реализован в виде шести взаимосвязанных пакетов прикладных программ, обозначенных на рис. 3 сокращенно ДИАРАД (пакет диалогового расчёта двигателя), МГХ (пакет расчета массогабаритных характеристик), ВБП (пакет расчета внутрибаллистических параметров), ЭТП (пакет расчёта энерготяговых характеристик), НДС (пакет расчёта на-пряженно-деформированного состояния), ТЗП (пакет расчета теплозащитных покрытий). Пакеты МГХ и ДИАРАД вместе с программой оптимизации проектных параметров двигателей реализуют первый цикл проектирования путём перебора возможных вариантов исполнения и компоновки энергоустановок в заданной длине или стартовой массе носителя. Остальные пакеты используются на втором цикле. Следует отметить, что система «Сопот» разрабатывалась в течение 5 лет при активном творческом участии учёных Научно-исследовательского института прикладной математики и механики, г. Томск, с использованием опыта головных институтов отрасли.

В настоящее время и у нас в стране, и за рубежом имеется ряд разработок по этой проблеме. Можно отметить, например, отечественную разработку «Проект ДУ» Московского института теплотехники и «Систему обеспечения быстрого проектирования» Д.Г. Вонга и К.Р. Фуллера, США. Однако эти системы ориентированы на проектирование определенного класса ракет и не позволяют учитывать многофакторную специфику морских ракет.

Опыт эксплуатации системы «Сопот» показал возможность использования её не только на проектной стадии разработки, но и для анализа результатов испытаний и прогнозирования развития рабочих процессов и поведения конструкции в натурных условиях.

Вышеизложенный методологический подход при проектировании морских баллистических ракет уже на начальной стадии формирует ряд требований для систем ракеты, полезность которых при их автономной оптимизации не очевидна. Это, в частности, специфические требования к форме расходной кривой для двигателей маршевых ступе-ней, возможность объединения управляющих функций нескольких двигателей, применение телескопических, гибких разворачивающихся сопловых блоков, существенно утопленных в камеру сгорания, а также сопловых блоков нетрадиционных форм. Серией параметрических исследований, выполненных средствами системы «Сопот», определено новое направление в совершенствовании морских ракетных комплексов — использование внешней среды на начальном и стационарном участках полёта ракеты.

Высокий уровень знания физики рабочих процессов в твёрдотопливных двигателях, наличие точных математических моделей для прогнозирования их характеристик позволили реализовать не просто оптимальный, а адаптивно-оптимальный алгоритм автоматического управления ракетой в полёте. Адаптивно-оптимальным будем называть алгоритм, который обеспечивает наилучшее использование энергетических характеристик двигателя в условиях знания его свойств и изменяющихся в процессе полета ракеты воздействий окружающей среды. Возникновение теории адаптивных систем относят ко второй половине 50-х годов (Приспосабливающиеся автоматические системы. - М.: Изд-во иностр. лит-ры. — 1963. А.А. Красовский. Динамика непрерывных самонастраивающихся сис-тем. - М.: Физматгиз. — 1963), хотя отдельные адаптивные системы и посвященные им теоретические разработки появились значительно раньше.

Все системы управления, построенные с использованием априорной информации, достаточной для достижения цели управления, относятся к неадаптивным или традиционным системам управления независимо от реализуемого принципа управления, наличия обратной связи, случайности или детерминированности возмущений используемых вычислительных средств. Если же объём располагаемой априорной информации о свойствах объекта не может обеспечить достижения сформулированной цели управления, то необходимо переходить к адаптивным системам управления. Таким образом, к адаптивным следует относить лишь такие системы управления, которые предназначены для функционирования в условиях априорной неопределённости и которые в процессе функционирования автоматически. приспосабливаются к непредвиденным изменениям свойств объекта управления и внешней среды (В.Н. Буков. Адаптивные прогнозирующие системы управления полётом. - М.: Наука, — 1987). Современный период развития теории и практики адаптивного управления тесно связан с быстроразвивающимися средствами вычислений, способными решать достаточно сложные задачи в реальном масштабе времени.

Адаптивные оптимальные алгоритмы позволяют с максимальной полезностью реализовать ряд прогрессивных технических решений, направленных на повышение энергетического потенциала двигателя и на рациональное его использование для улучшения основных тактико-технических характеристик ракет (дальность, точность стрельбы):

- работа маршевых двигателей до полного израсходования запасов топлива;

- практическая (в смысле расчёта дальности стрельбы) реализация предельных режимов его работы;

- рациональное формирование траекторий полёта для обеспечения требуемых условий стабилизации ракеты (обеспечение допустимых величин скоростных напоров);

- проведение коррекции траектории в полёте для обеспечения парирования ошибок навигации.

Реализация адаптивного управления позволяет увеличить дальность стрельбы (применительно к трехступенчатой морской баллистической ракете) на 400 км при погрешности определения среднего массового расхода двигателей маршевых ступеней 1% и 200 км — при погрешности 3%. Можно утверждать, что у адаптивных принципов управления отсутствует альтернатива.

Приведённый в статье материал не охватывает всех актуальных вопросов создания морских твёрдотопливных ракет, а является попыткой дать представление об уровне их развития. Говоря о современном состоянии этой области вооружений, следует отметить резкое возрастание сложности ракетного оружия, связанное с предъявлением к нему, начиная с 80-х годов, жестких требований по эффективности, что как следствие привело к увеличению трудоемкости, сроков, стоимости проектно-конструкторских работ по их созданию. Перспективным путём снижения сроков и расходов на разработку твердотопливных ракетных комплексов является замена части натурных испытаний численным моделированием рабочих процессов на основе совместного решения термогазодинамики, теплообмена, горения топлива, прочности заряда и динамики полёта ракеты.

Другим направлением, обеспечивающим экономически рациональное выполнение повышенных энергетических требований к перспективным ракетам, являются поиск и реализация нетрадиционных технических решений на основе новых физических эффектов, электромагнитных и других полей, новых свойств материалов и новых веществ, исследования по поиску и созданию которых ведутся в рамках фундаментальных научно- исследовательских работ.