Полет фантазии: заменит ли орбитальное базирование боеголовок современные МБР?

Боеголовка МБР с разных сторон

Вкратце вспомним и сверим, о чем идет речь. «Рцы слово твердо», — говаривали предки. Баллистическая ракета называется межконтинентальной, если ее дальность достигает 5500 км и более. Измеряется она по ортодромии — кратчайшей линии на земной поверхности между точками старта и падения боеголовок.

Во времена С. П. Королева головная часть ракеты отделялась от последней ступени и падала целиком, так и называясь в документах (сокращенно ГЧ). Позже боевых частей (ядерных зарядов) в ГЧ стало несколько, и каждый получил отдельную конструкцию для доставки в точку подрыва. Это боеголовки, или боевые блоки.

Смысловая разница этих двух названий автору неизвестна и никогда не встречалась, поэтому считаем их синонимами. В официальных совсекретных рабочих документах по каждой боевой работе (испытательному пуску МБР), бесчисленных целеуказаниях, с которыми доводилось работать, всегда неизменно писалось ББ — боевой блок.

В не менее официальных договорах ОСВ-1 и ОСВ-2 использовался термин «боеголовка». Приложение к договору «термины и определения» трактовало его так: «Боеголовка — часть головной части, которая способна сохраняться при возвращении через плотные слои атмосферы Земли и сконструирована для доставки оружия к цели или испытания такой доставки.». Разницы с боевым блоком никакой.

Конструктивно это специальный летательный аппарат для полета в космосе и атмосфере на различных гиперзвуковых режимах. Специализация для космоса выражена слабо, чаще просто герметичностью корпуса. Специализация для полета в атмосфере основная: это коническая форма, аэродинамически устойчивая, и многие другие конструктивные особенности.

Ранние боеголовки имели расширенную тормозную кормовую юбку и затупленную носовую часть, создававшую перед собой отсоединенную головную ударную волну, тормозившую полет. С развитием технологий теплозащитного покрытия стратегия прохождения атмосферы изменилась в пользу максимальной скорости, и боеголовки стали коническими остроносыми «морковками».

Угол конуса минимизирует интегральные (за весь атмосферный путь) потери скорости от аэродинамического трения и газодинамического сжатия потока. По американским исследованиям начала 1970-х, такой минимум дает угол конуса в 17-18°; позже это стало нормой для корпусов боеголовок.

Теплозащитное покрытие (ТЗП) предохраняет конструкцию от температуры и теплового потока при гиперзвуковом обтекании. Оставим особенности ТЗП и его поведение в горячем обтекающем потоке, тепловые удары и сколы, изменение формы носовой части за счет выгорания, и прочие дела, отражающиеся в промахе, но мало влияющие на общую баллистику движения. Это многие интересные, но специальные вопросы, которые сейчас оставим. Силовая конструкция корпуса выдерживает давление сжатого наружного слоя воздуха, большие перегрузки торможения и различные, меняющиеся в полете газодинамические вибрации.

Внутри боеголовки размещен ряд систем, основная из которых боевая часть, заряд из термоядерной взрывной части и блока автоматики. С ней сопряжена внешняя часть системы предохранения и взведения, и системы подрыва в виде различных контактных датчиков и высотомеров разного рода (барометрических и радиовысотомеров разных диапазонов). Система термостатирования заряда поддерживает его рабочую температуру.

Также есть бортовая электросеть с источниками питания, и линия связи с боевой ступенью ракеты (размыкаемая при отделении боеголовки). Еще есть инерциальная измерительная система для адаптивного подрыва, система закрутки вокруг продольной оси, пневмосистемы, устройства для разного контроля и регламентов, и прочее разнообразное оснащение.

Визуально это выглядит очень-очень плотно набитой в корпус боеголовки, палец не просунуть, массой всякого оборудования, блоков и модулей, тесно опутанных ветвящимися жгутами кабелей, металлическими трубками, и все это в стойком к перегрузкам и вибрациям выполнении (обвязано, охомутовано, законтрено, закреплено). Сегодняшняя боеголовка МБР небольшая, длиной примерно в рост человека и массой в четверть тонны.

Полет валькирий

После выключения двигателей последней разгонной ступени ракеты отделившаяся от нее боевая ступень, или ступень разведения, выполняет наведение боеголовки — совмещение ее траектории с точкой цели. В ходе него боевая ступень прецизионным высокоточным образом отстраивает свое движение в космосе и отделяет боеголовку, которая с этого момента начинает самостоятельный полет. Он свободный, то есть происходит под действием только силы гравитационного поля Земли (остальными воздействиями в первом приближении пренебрегают). Подробности и алгоритм работы боевой ступени на конкретном примере мы разбирали здесь, в главе «Ступень разведения, или боевая ступень».

Боеголовка поднимается к апогейной (высшей) точке траектории, лежащей на высоте сотен километров, и переходит на нисходящую часть траектории. По ней боеголовка входит в атмосферу и проходит до момента подрыва заряда (детальнее суборбитальные траектории мы рассматривали здесь, полет боеголовки в атмосфере здесь, работу блока автоматики и подрыв заряда здесь).

Дальность полета является следствием скорости боеголовки. Максимальные дальности МБР лежат в диапазоне 10 — 12 — 14 тысяч километров. Для их достижения ракета разгоняет боевую ступень до скорости 6,5 — 7,3 км/с. Вектор этой скорости направлен не горизонтально, как у космических ракет-носителей, а под углом выше текущего горизонта. Поэтому подъем по траектории продолжается и после прекращения разгона. Скорость в апогее снижается до минимальной (исключая атмосферный участок), но все равно составляет несколько километров в секунду, с ростом дальности пуска все больше приближаясь к скоростям на круговых околоземных орбитах.

МБР, оседлавшая орбиту

В конце 1960-х конструкторы высказали мысль о разгоне боеголовки (тогда еще головной части) до орбитальной скорости. Оказавшись на орбите, ГЧ может лететь по ней неограниченно далеко. Не только до противоположной точки Земли на дальности 20 тысяч км, но и дальше, если с этого направления подлета цель защищена меньше или совсем не защищена.

Так в СССР была разработана, испытана, принята на вооружение и поставлена на боевое дежурство ракета Р-36орб с орбитальной головной частью. Это хорошо известная тяжелая МБР Р-36, поздняя модификация которой и сегодня стоит на боевом дежурстве под названием «Сатана» (под индексом 15А18М она проходила летные испытания, в которых и автор отработал с десяток пусков).

Р-36орб выводила на орбиту головную часть массой 3,6 тонны. Она включала тормозную ступень и боеголовку массой 1,7 тонны с термоядерным зарядом мегатонного класса. В космосе орбитальная головная часть (ОГЧ) задействовала инерциальную систему управления для отсчета текущей дальности, ориентации и стабилизации всей космической сборки. Ее работу дополнял радиовысотомер, определявший высоту в начале и конце орбитального участка. При достижении нужной дальности тормозная ступень включала двигательную установку и переходила на траекторию спуска, после чего отделяла боеголовку.

В 1968 году система была принята на вооружение, в 1969-м три полка с ракетой Р-36орб в шахтах заступили на боевое дежурство на Байконуре. Они несли его 14 лет, после чего ракету сняли с вооружения по договору ОСВ-2.

На начало 1967 года пришелся первый успешный облет Земли головной частью по орбите. Запущенная с Байконура ОГЧ за 94 минуты полета прошла практически полный виток, доставив боеголовку под Астрахань на территорию Кап. Яра. Точность удара с орбиты была по сегодняшним меркам невысокой: круговое вероятное отклонение от точки прицеливания составляло 1,1 км, максимальное достигало 5 км. Для компенсации такого промаха и нужны были мегатонны заряда.

На орбиту «голова» отправлялась только в ходе боевого применения или испытательного пуска, повторяющего баллистику боевого. Орбитальное движение было кратковременным, в боевом применении не достигая полного оборота вокруг Земли. По своей баллистической сути пуск Р-36орб был пуском обычной МБР, в траекторию которой был «вшит» «удлинитель» — увеличивающий дальность орбитальный кусок пути.

В железных оковах орбиты

А что, если ГЧ или боеголовку заранее запустить на орбиту, чтобы она находилась там долговременно на боевом дежурстве, базировалась? А при наступлении «момента икс» дать ей команду на поражение цели. После этого ОГЧ долетит до района цели, включит тормозной двигатель и сойдет с орбиты вниз на траекторию поражения.

Да, так вполне можно сделать, и это сработает. При одном условии: если цель лежит впереди на трассе (наземной проекции орбиты) боеголовки. Или в близком соседстве с ней, в узкой полосе вдоль трассы: тормозной импульс можно задать с боковой компонентой. Она сообщит боеголовке боковую скорость для смещения в процессе снижения от исходной трассы до цели. Сильно вбок это не уведет, потому что орбитальная скорость огромна, и для существенного разворота вектора скорости нужна большая боковая скорость, а значит большая масса топлива для двигателя.

Давайте взглянем, что такое орбита. Многие интуитивно представляют ее как полную свободу; может быть, это подсознательно из-за орбитальной невесомости? На самом деле орбита — это железные тиски, жесткие и неумолимые. Почему? Причина этому огромная скорость на орбите. Тем более на самой скоростной из всех круговых орбит, низкой опорной с высотой 200 км, где она составляет 7788 м/с. Эта величина скорости создает стабильность орбиты (наряду с другим фактором, о котором ниже): трудно что-либо сделать оперативно с такой огромной скоростью.

Отметим, что это отнюдь не первая космическая скорость. Первая космическая рассчитывается для сферической поверхности планеты без рельефа и атмосферы. Это орбитальная скорость на круговой орбите нулевой высоты на небесном теле. Она характеризует баллистические условия на поверхности тела: с какой минимальной энергией надо оттуда стартовать для выхода на орбиту. Естественно, тоже минимальную, то есть круговую на нулевой высоте; с ростом высоты энергия выведения только растет. Для поверхности небесного тела и гравитационных условий на ней и рассчитывается, и входит в справочники численное значение первой космической скорости.

Немного баллистики в режиме беллетристики

Повернуть вектор скорости в космосе можно лишь сложением векторов: второй вектор развернет итоговую скорость на нужный угол. Экономнее задать его перпендикулярно. Отношения добавки к основной скорости станет тангенсом угла поворота. Соотношение боковой скорости к основной у поворота на один градус будет 0,0175. Для отклонения орбитальной скорости 7788 м/с на один градус вбок нужна боковая скорость 136 м/с.

В свободном движении (именно оно чертит кеплерову орбиту) по определению нет сил, создающих боковую скорость. В реальном околоземном движении таких сил много: от косого пересечения экваториального «горба» Земли, притяжения Солнца и других планет до давления солнечного света и реактивных сил излучения с радиаторов систем терморегулирования. Но они очень слабы, и все вместе дадут боковую скорость с десяток или десятки м/с за год. Их работа проявляется лишь за месяцы полета.

Она напоминает гироскоп, который стабилен по той же причине высокой скорости вращения и линейной скорости точек гироскопа. Поворот орбитальной скорости вбок означает поворот плоскости орбиты, и это весьма энергозатратный маневр.

Совсем не то в авиации: самолет легко изменит свой курс в любую сторону и сколько угодно раз. Или просто станет в вираж — горизонтальный полет по кругу с креном и непрерывным поворотом курса, самолету это не стоит добавочных затрат топлива. Самолет может отклониться от курса ветром или ошибками систем управления и исполнения: его сносит и воздушная среда его движения, и его собственная работа в воздухе. Движение по орбите намного стабильнее из-за свободы (пассивности) движения и неизменности самого гравитационного поля, которое никуда не девается и никак не меняется. И это второй фактор стабильности орбиты, наряду с большой орбитальной скоростью.

Поэтому боеголовка на орбите летит только прямо вперед. И после тормозного импульса схода с орбиты упадет впереди по ходу своего орбитального движения. За исключением небольшого сноса баллистическим ветром (интегральным ветровым сносом при прохождении атмосферы) и ошибок при выдаче тормозного импульса (его ориентации, силы и длительности). А если цель окажется не точно на трассе полета? Отклонить движение на градус боковым разгоном на 136 м/с можно двигателем. Это довольно большое изменение скорости (примерно столько же нужно для схода с низкой круговой орбиты), и требует изрядного запаса топлива.

Атмосферу боеголовка МБР проходит примерно за минуту (бывают разные углы входа и время), начиная светиться с высоты 100 км. До этого ей еще пару минут спускаться с 200-км орбиты (тормозной импульс дается почти горизонтально, и снижение нарастает постепенно). На сход с орбиты можно взять три-четыре минуты. Отклонение курса на градус за это время уведет точку падения вбок от начальной трассы на 24-33 км; пусть оценочно на 50 км. Таким образом, боеголовка с мощным двигателем бокового разгона может атаковать цели вправо и влево на 50 км, то есть лежащие в 100-километровой полосе своей орбитальной трассы. И это вся свобода удара с орбиты.

Сделаем небольшое, но важное методическое отступление. Баллистика любит и всегда содержит цифирь: числа покажут оценки и сравнения, сделают взгляд предметным. Поэтому мы берем и используем самые простые и грубые оценки (так называются приблизительные численные характеристики). Точные числа и не нужны, и нежелательны, дабы даже совершенно случайно не написать то, что не должно публиковаться. Мы будем брать условные тысячи км, условную ракету, условное время полета. Но эти условности вполне соответствуют реальным значениям и картине.

В оперативности удара — орбита с МБР не пара

Для всего летающего оружия есть время оперативного применения. Самолет, взлетевший с авианосца, подойдет к цели за 30-50 минут. Противотанковая реактивная граната прилетит в борт цели за 10-15 секунд. МБР летят условные 6 000 км за условные 21-23 минуты (из практики), в среднем 22 минуты, это самая вероятная картина. Значит, на максимальную дальность в 12 000 км. время удвоится до 44 минут. Со всякими добавками натечет еще минута, оценим полетное время примерно в 45 минут.

На самых больших дальностях тяжелых МБР (например, «Сармат» заявлен с максимумом в 14000 км) время составит 52-55 минут (чисто интуитивно). Что покажет за это время орбита? На низких высотах оборот вокруг Земли (виток) занимает полтора часа, 90 минут. Окружность Земли (на экваторе) 40 000 км. Противоположная точка лежит на ортодромной дальности ровно в половину окружности, или 20 000 км. Этот путь по орбите займет и половину времени витка, 45 минут.

А за 55 минут по орбите можно уехать еще дальше противоположной точки на 4670 км. Таким образом, пока «Сармат» пройдет свои максимальные 14000 км, боеголовка на орбите покроет 24670 км — в 1,76 раза больше. Тут орбита наглядно и ощутимо выигрывает у более медленной МБР.

Но оперативность не абсолютное мерило эффективности оружия. Она не существует в отрыве от другого важнейшего показателя: территории охвата ударом. Какую площадь держит под прицелом этот оперативный удар? И тут открывается огромная, кардинальная разница.

По площадям другой ответ: для МБР тут равных нет

Орбитальное размещение боеголовки позволяет поразить цель в полосе трассы шириной 100 км, меньше одного географического градуса (равного 111 км расстояния). На маленьком глобусе это просто жирная линия фломастера. МБР имеет принципиальное отличие: всеракурсность пуска. В силу любого направления (азимута) пуска МБР покрывает поражением круг с центром в старте. За исключением близкой окрестности старта — пока все ступени ракеты не отработают, заряд не пройдет необходимые степени взведения (рассказывали здесь в главе «Система предохранения и взведения»). Но поражать окрестности пуска и не нужно, это своя территория.

Как мы помним, окружность Земли 40 000 км. Четверть этой окружности 10 000 км, расстояние от экватора до полюса. Значит, ракета с дальностью 10 000 км (примерно 37 минут полетного времени) охватит своим пуском четверть окружности Земли в одну сторону и четверть в противоположную, всего 20 000 км протяженности поражаемой территории. Это ровно половина Земли, стартовое полушарие с центром в точке старта.

Ракета с дальностью 14 000 км, как у «Сармата», зайдет еще на 4 000 км вглубь дальнего полушария. Это много, и эта огромная полоса пройдет по самой широкой части того полушария. Около его макушки окажется не охваченная предельной дальностью ракеты зона, наверное, в четверть поверхности Земли (просьба к дотошным читателям уточнить оценку).

Орбитальная МБР пройдет до противоположной точки Земли минут за 50 (3 минуты на разгон, 3 минуты на вход в атмосферу, и 44 минуты орбиты), покрыв поражением всю Землю.

А боеголовка орбитального базирования? За 37 минут, которые нужны МБР для охвата полушария, орбитальная боеголовка пройдет свои 17 000 км с полосой поражения 100 км. Сравним эти площади: полушарие Земли примерно 255 млн. кв. км.; полоса поражения боеголовки орбитального базирования за 37 минут полета — 1,7 млн. кв. км, или 1/150 от площади полушария.

Для дальностей 12 000 км, 14 000 км это соотношение будет расти, достигая максимума для орбитальной МБР, покрывающей всю площадь Земли, 510 млн. км, за 50 минут. Орбитальное базирование за это время даст площадь полосы поражения 2,34 млн. кв. км, в 218 раз меньше.

Вращение Земли: легко для МБР, критично для базирования на орбите

Оценки выше не включали вращение Земли. Но за полетное время планета провернется и под орбитой, и под суборбитой МБР. Цель «уплывет» на некоторое расстояние к востоку, определяемое широтой цели и полетным временем. Для МБР это не проблема: нужно лишь взять упреждение точки прицеливания на это смещение.

Для орбитального базирования ситуация иная. Цель должна оказаться в полосе трассы, причем на верном расстоянии впереди боеголовки. А если цель не попала в полосу? Или попала, но на другой стороне Земли? Пока орбита приведет туда, цель может уже уползти из полосы поражения.

А трасса орбиты за виток может смещаться от нуля на полюсе до 2500 км на экваторе. Следующий виток снова сместит трассу, на разный сдвиг в разных широтах. Ждать, пока полоса трассы наложится на цель — или, иными словами, пока цель не подвернется в полосу трассы, можно и сутки, и неделю, и больше. Оперативность такого оружия теряет смысл в условиях, когда за сутки происходят и решаются ключевые дела. В такой ситуации полностью исчезает оперативность применения оружия в обычном практическом понимании. Его или уже не будет смысла применять, или уже будет некому.

Орбитальная армада: сколько для удара надо?

Уточним: для удара по одной цели. Можно разместить на орбитах достаточное количество боеголовок, чтобы они все вместе (каждая своей 100-км полосой трассы) полностью покрыли полушарие за те же 37 минут, что и одна МБР. На это потребуется почти столько боеголовок, насколько площадь поражения МБР превышает полосу боеголовки. Возможно, придется размещать на орбитах 150 — 200 боеголовок вместо одной боеголовки МБР. «Почти столько»: поправки внесет точная геометрия перекрытия трасс, которые будут накладываться друг на друга в некоторых местах Земли. И динамика движения всей орбитальной системы тоже может дать свои коррективы, углубляться в которые здесь нет смысла.

Но на МБР стоят несколько боеголовок, распределяемых по локальной территориальной группе из трех-пяти целей. Они входят в эллипс точек падения боеголовок, примерно шириной 100-150 км и длиной 600-800 км. Для их оперативной и одновременной атаки боеголовками орбитального базирования нужно умножить 150-200 орбитальных боеголовок на число целей. Итоговая орбитальная группировка выйдет численностью 450-1000 штук, необходимых вместо одной МБР.

Есть ли смысл в создании столь многочисленной орбитальной системы, с центрами управления по всей Земле, если ее замещает один условный «Сармат» с максимальной дальностью 14000 км? Запускаемый с Домбаровского позиционного района в Оренбургской области, он способен оперативно поразить цель на любом континенте в любой его точке, охватывая 3/4 площади планеты. При пуске из Домбаровки не охваченной ударом останется только пустынная зона в южной и экваториальной части Тихого океана, не содержащая ни значимой суши, ни целей для МБР.

Материальная часть: конструкция ставит задачи

Длительное размещение на орбите, в отличие от часового полета боеголовки МБР, требует обеспечивающих конструктивных решений. Для постоянной работы систем ориентации и связи с Землей (вторая без первой невозможна) нужен неиссякаемый источник энергии в виде солнечных панелей. А к ним и звено запасания электроэнергии для теневой части витка.

Терморегулирование тоже потребует устройств в виде радиаторов охлаждения, запаса и линий хладагента и насосов. Система терморегулирования должна обслужить и отдельный важный вопрос термостатирования заряда. Компактный плутоний на ощупь теплый, как живой человек; килограмм плутония оружейного качества выделяет около 100 ватт тепловой мощности. Если тепло не отводить в полной мере, плутониевая часть перегреется и сожмется от нагрева (у твердой «оружейной» фазы плутония отрицательный коэффициент теплового расширения). Возникнут щели и пазы, нарушающие высокоточные процессы при взрыве, штатное энерговыделение взрыва упадет до отказного.

И это не все, что нужно заряду. Если он использует тритиевое усиление мощности (тритиевый бустинг), то содержит тритий. А период полураспада трития небольшой, 12,3 года. Каждые 12,3 года трития становится вдвое меньше, его количество непрерывно убывает за любой отрезок времени. Поэтому тритий в заряде (часто это капсула с дейтериево-тритиевой газовой смесью) заменяют с определенной периодичностью.

Но и без трития заряд требует проведения регламентных работ. Плутониевая часть постепенно изменяет свой изотопный состав — именно из-за идущих в нем ядерных реакций и выделяется тепло. Часто срок эксплуатации всего заряда больше, чем время годности его ядерного материала, и тогда плутониевую часть заменяют на свежую. Как это разнообразное обслуживание проводить в космосе? На сегодняшний день нет технологии регламентов заряда на орбите.

Есть задача и по тормозному импульсу, имя которой — точность. У МБР точность обеспечивается работой большой и сложной ступени разведения. Ее стоимость и трудозатраты на изготовление распределяются на несколько боеголовок. При космическом базировании каждой боеголовке потребуется сопоставимая по сложности конструкция, как с высокоточным измерением своих текущих координат и движения, так и с прецизионной исполнительной тяговой частью.

Наконец, защищенность боеголовки от действия по ней оружия противника на орбите и в шахте сильно отличается, и понятно, где она выше, а где слабее. Конструкция на орбите открыта и кинетическому действию, и лазерному нагреву, и ослеплению датчиков, и «порче» плутония потоком нейтронов от термоядерного взрыва в километрах от нее. В шахте эти поражающие факторы не доберутся до боеголовки.

В качестве эпилога

Все эти аспекты — баллистические, технологические, защищенности и другие — наглядно рисуют огромную разницу между размещением боеголовки на МБР и на орбите. Баланс преимуществ, прежде всего боевых, а также технических, с многократным перевесом оказывается на стороне МБР. Аргументы базирования боеголовки на орбите становятся неочевидны и непонятны. Так вызревает вывод, что орбитальное базирование боеголовок на сегодня скорее мифическое, чем реалистичное.

Если фантазировать, можно придумать орбитальную армаду из тысяч боевых космических аппаратов. Эти орбитальные платформы могут маневрировать по многу раз, меняя как наклонение орбиты и свой курс, так и высоту, период и другие характеристики орбиты. Платформа хорошо защищена от действия любого оружия и несет несколько боеголовок, выполняя для них работу ступени разведения. Надежная структура управления группировкой контролирует ее общее и локальное движение, разводя платформы с другими объектами в космосе, передает на борт распределение и координаты целей, и команды на боевое применение.

Не менее надежная структура обслуживания в космосе проводит регламенты на борту боевых платформ. Она заменяет боеголовки или их компоненты, заправляет топливом для поддержания высоты и орбитальных маневров, меняет отслужившие платформы на новые. С учетом того, что боеголовки нельзя сжечь в атмосфере, как отработавшие спутники — они не сгорят, а плутоний на борту, да и химическая взрывчатка, которой там хватает, не полезны при падении на Землю.

Эта интересная картина на сегодня слишком волшебна, чтобы просматриваться в реальности. Будет ли она еще и эффективнее ракетной дивизии МБР в боевом отношении — большой вопрос. На него просится простой ответ: в обозримом будущем — вряд ли. Дальше дело за ним, этим будущим. Заглянуть в которое достоверно сегодня не получается.

Николай Цыгикало

27 статей

Пишет про разные области движения, баллистики, аэрогазодинамики, и работающие в них конструкции и технические системы. Стремится пояснить суть и понятийный аппарат, процессы и детали. Иногда про геологию, палеонтологию и другое.

Показать больше

Закладка

Скопировать ссылку

Email

Печать

Twitter

VK

Telegram