Системы наведения ракет

Содержание

Системы наведения ракет

С момента изобретения пороха ракеты пытались использовать и в армии и «на гражданке». В армии, конечно, с большим успехом, так как попытки гражданского применения чаще всего заканчивались гибелью изобретателя-рационализатора. Тем не менее проблема была общая — ракетой невозможно было управлять в полете. В принципе это и не было нужно, стреляли по площадям.

Противокорабельная ракета «Гарпун»

Проблемы возникли только во время Второй Мировой войны, когда немцы применили ракеты Фау-1 и Фау-2 для обстрела Лондона. До того самым известным эпизодом применений ракетного оружия был обстрел Копенгагена Британским флотом в 17-м веке. Когда цель, один из крупнейших городов того времени и находится он в пределах видимости, точность не нужна. А когда дальность выросла до 250 км (Фау-1) появились и первые системы наведения.

Спитфайр готовится перевернуть ФАУ подцепив ее крылом. Ракета «теряла ориентацию» и разбивалась.

Инерциальная система наведения

Самая простая и самая первая из всех, ведь принцип был известен тысячи лет назад. Как определяли свое местоположение путешественники древности? Считали шаги, чтобы знать пройденное расстояние на земле, а на море использовали лаг, для определения скорости. Зная направления и скорость, можно понять, где находится корабль и как скорректировать курс. Также поступает и ракета. Инерциальная система наведения ракеты, зная свои координаты в момент старта, скорость и направление полета, может рассчитать текущие координаты и подправить курс.

Что хорошо в таком решении? Во-первых, инерциальная система навигации полностью автономна, ей не нужны подсказки со стороны, не страшны никакие помехи, а ее работа никак не демаскирует себя. Главные из недостатков — относительно небольшая точность (чем больше расстояние, тем больше будет ошибка) и скорость работы, а еще невозможность наведения на движущуюся цель.

Система надежная и простая, но не достаточно точная. В случае стрельбы по Лондону с побережья Франции этого было почти достаточно, но что делать, в случае когда цель двигается?

Командный способ

Управлять ракетой можно передавая ей команды по радио или по проводам. Как и в предыдущем случае, первыми снова оказались немцы. В нацистской Германии существовало даже два проекта, того-самого Вернера фон Брауна и компании Хэншель. Проекта фон Брауна «Водопад» был по-настоящему революционным. В нем использовалось два радара, один для подсветки цели, другой — для ракеты. Оператор должен был совместить две метки на экране радиолокатора, а система управления передать ракете по зашифрованному радиоканалу нужные координаты.

У проекта компании Хэншель ракета управлялась также оператором, но не с помощью радара, а визуально, при помощи оптики, а управляющие команды передавались не по радио, а по проводам.

Обе идеи в последствии перекочевали в США (A-1 Гермес) и СССР (Р-101 и Р-105) но дальнейшего развития не получили, хотя научные и технические наработки были внедрены в других, более успешных, проектах.

ЗРК MIM-14 «Nike-Hercules»

Радиокомандный способ наведения применялся в советских зенитно ракетных комплексах С-25 «Беркут» и С-75 «Двина», а в США MIM-3 «Nike-Ajax» и MIM-14 «Nike-Hercules». Управление осуществлялось с земли, траекторию рассчитывал так называемый «счетно-решающий прибор», фактически аналоговый компьютер тех времен. Сама ракета ничего не видела, не слышала и не решала, летела по командам с земли, в отличие от инерциальной ракеты, средства навигации у которой «всегда с собой».

Зенитно-ракетный комплекс С-75 «Десна»

Среди класса «воздух-воздух» командное наведения по проводам использовалось в немецкой «Руршталь» X-4 в 1943 году, на основе которой позже появилась противотанковая Х-7. Управление по проводам применяется и сейчас, в противотанковых ракетах, таких как французский комплекс «Милан», советский «Фагот» или американский TOW. Правда, в отличие от первых противотанковых комплексов, в них полуавтоматическая система наведения ракеты: оператор только удерживает прицел на мишени, а не управляет ею непосредственно.

Главным достоинством командного способа считается — стоимость. На ракете нет необходимости размещать навигационное оборудование, значит больше места останется для топлива или боеголовки. Минусы — радиоканал уязвим для помех, его попросту можно заглушить, а провода имеют ограниченную длину. К тому же с ростом расстояния до цели падает и точность, так как сама ракета ничего не излучает и никак помогает своей станции или оператору.

Полуактивное самонаведение ракет

При таком способе цель облучает радар наземного (надводного) ракетного комплекса или самолета. Ракета пользуется такой «подсветкой», принимает отраженный сигнал и на основе его рассчитывает свою траекторию.

Британская ракета Fireflash (огненная вспышка), была первой где был реализован такой метод в далеком 1949 году. «Огненная вспышка» наводилась просто в самый центр радиолокационного луча.

Таким образом нужно было не просто «светить» на цель радиолокатором, а еще и точно удерживать на ней прицел. По английский это называлось beam rider, в вольном переводе, «управление по лучу». Этот же принцип используется сейчас в противотанковых ракетных комплексах и ракетах воздух-поверхность. Только в случае с бронетехникой луч лазерный. В качестве примеров можно привести Hellfire родом из США и советский «Вихрь».

Самыми известным ракетами воздух-воздух с полу-активной системой были американская AIM-7С Sparrow («Воробей») и советская Р-27. Их главным недостатком была необходимость постоянной «подсветки» цели самолетом.

Управление «через ракету»

В 1943 году в США в рамках проекта Горгона тестировалась возможность управления с помощью видеокамеры установленной на ракете. Камера передавала изображение оператору, который и управлял полетом. Такой метод получил название «управление через ракету». Конечно в 1943-м ничего толкового с теленаведением не вышло, но сам принцип стал использоваться, только вместо видеокамеры применяют радар: ракета принимает отраженный радиосигнал своей радиолокационной станции (РЛС) и… . Просто передает информацию своей РЛС, та, в свою очередь, производит расчеты и отправляет корректирующую команду ракете. Получается некий гибрид полу-активной и командной систем.

ЗРК Patriot

Принцип этот очень популярен, он применен и в С-300 и в американском «Пэтриот» PAC-2. Ракета всегда ближе к цели, а значит «видит» лучше, при этом на борту не нужно нести никаких вычислителей, только приемник сигнала и ретранслятор. Но если возникнут помехи… Никаких самостоятельных решений кроме самоуничтожения ракета принять не сможет.

Активное самонаведение

Первой ракетой самонаведения могла стать «Артемида». На этот раз лидерами опять были британские ученые. Артемида задумывалась для борьбы с немецкими крылатыми ракетами Фау-1, для этого на ней устанавливалась радиолокационная головка самонаведения. И было это в 1943 году! Но времени на доводку англичанам не хватило, уже через год было принято решение, что Артемида будет обходиться слишком дорого, а необходимости в ней особо нет, ведь немцы уже явно проигрывали войну в воздухе.

Активное самонаведение означает, что ракета сама излучает зондирующий радиосигнал, сама его принимает и рассчитывает траекторию. Естественно, что собственный радар должен обладать достаточными для эффективной работы размерами, а размеры означают массу. Поэтому ракеты с активным радиолокационным самонаведением всегда большие и предназначены для дальнего воздушного боя.

Пуск AIM-54 Phoenix с F-14 103 эскадрильи «Веселый Роджер»

Первой такой «ласточкой» стала американская AIM-54 «Феникс». Она была настолько большой, что нести ее мог только F-14, а налогом в СССР — Р-33 вооружался только Миг-31. Обе «малышки» весили чуть меньше полутоны. Ракеты средней дальности с собственной РЛС появись позже: AIM-120, Р-77, MICA или Python-5. Они уже меньше (относительно), летят не так далеко, но применяют аналогичный принцип наведения.

P-33 под фюзеляжем МИГ-31

Размер и масса — серьезное ограничение для авиации, но для наземного или морского базирования вес не так критичен. Поэтому среди противокорабельных и зенитных ракет (кроме переносных) активное самонаведение очень распространено. Модернизированный комплекс Patrion PAC-3 использует ракету MIM-109 с активным радиолокационным самонаведением, так же как и С-400 с ракетами 9М96.

Пассивное самонаведение

Несмотря на два, казалось бы, несовместимых слова в одном термине такие системы применяются практически везде. Например, в противорадиолокационных ракетах. Ракета атакует радиолокационную станцию и собственное излучение ей не нужно, она ориентируется по излучению радара противника. В случае потери сигнала, например банального выключения, ракета использует инерциальную систему и продолжает двигаться туда, где находился источник радиоизлучения.

Инфракрасная ГСН

Инфракрасная (пассивная) головка самонаведения (ИК ГСН) не использует радиоволны в принципе. Она буквально смотрит на мир через инфракрасную матрицу обнаруживая источник тепла, которым обычно является двигатель самолета (наиболее горячая точка), а в более современных и продвинутых образцах — инфракрасный образ цели.

Первыми, кто реализовал тепловое самонаведения, были американцы. AIM-9 Sidewinder была запущена в производство в 1956 году, после 6 лет разработки. Sidewinder — это разновидность гремучей змеи, которая, как и другие змеи семейства, способна отчетливо «видеть» тело излучаемое жертвой.

AIM-9 Sidewinder (синего цвета) и AIM-9 (белая)

Разработка советского аналога К-13 началась в 1958-м, после того, как в расположении СССР оказались обломки Sidewinder. Естественно принцип работы был аналогичным. Таким же остается и сегодня, несмотря на то, что современные ИК ГСН считаются уже четвертым поколением.

Пассивный принцип актуален для ракет ближнего радиуса действия, таких как переносные зенитно-ракетные комплексы или ракеты воздух-воздух ближнего боя.

Ультрафиолетовая ГСН

Метод аналогичный предыдущему, только вместо длинноволновой (инфракрасная) — более коротковолновая (ультрафиолетовая, УФ) часть спектра. Это позволяет повысить разрешающую способность, можно сказать остроту зрения, ракеты, но в свою очередь уменьшает дальность захвата цели. Но главный плюс, сложность обмана ультрафиолетовых датчиков с помощью тепловых ловушек. Также позволяет распознавать образ цели, что в сою очередь открывает новые возможности: противодействие помехам и атаки в наиболее уязвимые части цели (актуальнее всего для надводных кораблей).

Самый продвинутый тип наведения, особенно в комбинации с ИК или УФ матрицами.

Оптико-электронная ГСН

Все то же самое. Вот только используются волны видимого спектра, фактически обычная цифровая камера. В этом случае специальное программное обеспечение сравнивает увиденную картинку с эталонной, определяет тип цели и способ ее атаки. Один из известнейших, израильский комплекс Spike NLOS, оператор может, не только захватить цель после пуска вне зоны видимости, но и переназначить цель во время полета или вовсе отменить атаку.

Комбинированные системы

Очевидно, что у каждого способа есть достоинства и недостатки, комбинация нескольких приемов может избавится от минусов и усилить плюсы.

Чтобы стрелять (и попадать) на большой дистанции используется связка из самонаведения, командного наведения и инерциального. Ракета выводится в зону встречи с целью «примерно» либо при помощи радара, либо инерциально, чтобы потом найти цель самостоятельно.

Для баллистических ракет применяется астрокоррекция (ориентация по звездам, как в старину), гравиметрические измерения (гравитационные аномалии Земли в качестве ориентиров) или сигналы спутника. Крылатые ракеты для компенсации ошибок инерциальной навигации используют собственный локатор или видеокамеру для картографирования местности над которой пролетают. Так же как бы поступил человек в таком случае, автопилот использует известные ориентиры для определения своего положения.

Еще один популярный прием — объединения систем, применение пассивного метода самонаведения при установке нескольких ГСН. Например ИК+УФ или ИК+телевизионной.

Пуск ракеты «Тамир» противоракетного комплекса «Железный купол»

В итоге системы наведения ракет можно свести к трем способам:

По известным координатам (инерциальный), с использованием излучения цели (пассивный) или использование отраженного сигнала (активный). При этом суть методик не меняется. Зато возрастают скорость, дальность и точность. До такой степени, что современные ракеты могут не иметь боеголовки, а уничтожать цель прямым попаданием.

Раздел 1. Основные понятия и определения. Классификация методов навигации и навигационных систем

План раздела:

1.1. Основные понятия и определения;

1.2. Классификация методов навигации;

1.3. Классификация навигационных устройств и систем;

1.4. Пилотажно-навигационные комплексы ЛА.

1.1. Основные понятия и определения

Навигация – раздел науки о способах проведения морских, воздушных судов и космических летательных аппаратов из одной точки пространства в другую. Эта задача решается методами и приборами мореходной, воздушной и космической навигации, которые позволяют определить местоположение и ориентацию движущегося объекта относительно принятой системы координат, величину и направление скорости движения, направление и расстояние до места назначения и т.д. К задачам навигации также относится определение оптимального маршрута движения, под которым понимается требование обеспечения максимальной безопасности и экономичности вывода объекта в заданную точку пространства в определенный момент времени с установленной точностью.

Самолётовождение – совокупность операций по управлению самолётом и другими летательными аппаратами (ЛА) в полёте. Полёт ЛА складывается из поступательного перемещения центра масс ЛА относительно выбранной системы координат (обеспечивается средствами воздушной навигации) и движения ЛА вокруг его центра масс (осуществляется пилотированием ЛА).

Воздушная навигация (аэронавигация) – раздел навигации, в котором рассматривается вождение ЛА типа самолетов и вертолетов из одной точки земной поверхности в другую по определенным пространственно-временным траекториям.

Понятие аэронавигации охватывает три процесса:

1) определение положения и скорости летательного аппарата в опорной системе координат;

2) сравнение измеренных значений с расчетными для данного момента времени;

3) пересчет результатов сравнения в команды управления, обеспечивающие такое изменение параметров движения, которое обеспечивало бы выполнение маршрута полета и достижение цели.

Параметры движения ЛА (параметры траектории, координаты и др.) и другие параметры, используемые для формирования программы траекторного движения, называют навигационными. Системы, определяющие навигационные параметры по первичным параметрам (линейные угловые ускорения или скорости, расстояния, азимуты и др.), называют навигационными системами.

1.2. Классификация методов навигации

Метод навигации представляет совокупность взаимосвязанных измерений навигационных элементов и вычислительных операций, позволяющий получить информацию о фактическом режиме полета. Содержание каждого метода навигации сводится к получению поверхностей положения, совместное использование которых позволяет определить местоположение ЛА. Для решения навигационной задачи необходимо знать не менее трех поверхностей положения. Если один метод навигации не дает такое число поверхностей положения, то прибегают к другим методам, восполняющим этот недостаток.

Методы навигации классифицируют по ряду признаков. Наиболее существенными являются:

1. Способ определения координат местонахождения;

2. Природа измеряемых физических величин.

В соответствии с первым признаком классификации методы навигации подразделяются на три группы:

– методы счисления пути;

– позиционные методы;

– обзорно-сравнительные методы.

Методы счисления пути основаны на измерении составляющих вектора ускорения или скорости движения объекта и интегрировании по времени этих составляющих (ускорение интегрируется дважды) для получения координат местонахождения. К этой группе относятся методы воздушного, радиолокационного, доплеровского и инерциального счисления пути.

Позиционные методы навигации основаны на измерении физических величин, дающих линию или поверхность положения. Для определения двух или трех координат местонахождения ЛА требуется иметь соответственно две или три взаимно пересекающиеся поверхности положения. Данную группу составляют различные радиотехнические, астрономические, спутниковые, а также изодинамный, изобарический и другие методы навигации.

Обзорно-сравнительные методы основаны на обзоре окружающей местности и сравнении ее изображения с картой или системой ориентиров, заложенных в памяти. Третью группу составляют методы инфракрасного или радиолокационного изображения поверхности Земли с географическими картами.

В зависимости от природы измеряемых величин методы навигации подразделяются на множество видов. Например, аэрометрические, основанные на измерении физических параметров земной атмосферы; геомагнитные, использующие навигационные свойства магнитного поля и т.д.

Выбор метода или совокупности методов навигации для использования на конкретном ЛА определяется рядом условий, а именно:

– характером среды, в которой движется ЛА (вода, воздух, космическая среда);

– диапазоном изменения навигационных параметров (дальности, скорости, ускорения и др.);

– потребной точности измерения навигационных параметров;

– уровнем автономности, помехозащищенности и надежности навигационных измерений;

– степенью физической реализуемости метода навигации (имеется в виду возможность создания навигационных устройств, удовлетворяющих эксплуатационным требованиям).

Методы навигационных определений (ОП СРНС, лекция)

Презентация
Время20 минут на контрольные вопросы предыдущего занятия, 105 минут на материал; есть время рассказать про GDOP

Предыдущая лекция: Введение в СРНС

ToDo* Рассказать про GDOP
* Ввести шаблон о занятии, указывать примерное время
* Исправить презентацию (добавить картинку по псевдодальномерному методу, заголовок псевдо разностно-дальномерному)

Методы счисления пути и методы поверхностей положения

Назначение навигационной системы — определение координат, скорости, ориентации объекта-носителя, а так же обеспечение его шкалой времени. Рассмотрим основные методы решения поставленных задач.

Все методы навигационных определений можно разбить на две большие группы. Традиционно они называются — методы счисления пути и методы поверхностей положения. Изложенные ниже подходы справедливы не только для определения координат, но и для оценки остальных навигационных параметров, но для простоты и наглядности ограничимся примерами определения пространственных координат.

Методы счисления пути

При использовании методов счисления пути для решения навигационных задач используются датчики, измеряющие производные от навигационных параметров. Пусть есть некоторый начальный момент времени, в который навигационные параметры, в частности координаты, известны. Интегрируя измерения производных координат (скорости, ускорения, рывка и т.д.) из начальной точки получают измерения самих координат.

Для примера рассмотрим двумерную задачу — определение координат автомобиля. Пусть нам известно положение и скорость в начальный момент времени. Инерциальные датчики, установленные в автомобиле, измеряют три компоненты вектора ускорения его центра масс. Интегрируя оценки ускорения можно получать оценки вектора скорости в каждый момент времени. Интегрируя оценки скорости — получать оценки координат.

Методы счисления пути непосредственно в СРНС не используются. Тем не менее, существует класс комплексированной навигационной аппаратуры потребителей. В комплексированной НАП используются дополнительные источники информации, которые могут помочь улучшить навигационное решение. Наиболее часто встречаемый пример комплексирования — совмещение НАП СРНС и инерциальных датчиков. Такая система использует преимущества спутниковой навигации и инерциальной, нивелируя их недостатки.

Методы поверхностей положения

К методам поверхностей положения относят различные радиотехнические, астрономические, магнитные, изобарические и другие методы навигации. Эти методы основаны на геометрических свойствах пространства и находящихся в нём полей. При применении методов поверхностей положения измерения ограничивают множество всех возможных положений объекта до некоторой поверхности, откуда и следует название этой группы методов. Если проводятся несколько измерений, то множество возможных положений сокращается до пересечения возможных множеств каждого измерения. Таким образом, ряд измерений может сократить число возможных положений до одной точки — которая и будет оценкой положения.

Во всех СРНС используются методы поверхностей положения. Основа СРНС второго поколения — это псевдодальномерный метод навигационных определений.

Методы навигационных определений, используемые в СРНС второго поколения

Дальномерный метод

Дальномерный метод навигационных определений — это метод определения положения потребителя по измерениям расстояния до нескольких реперных точек с известными координатами. В СРНС он непосредственно не используется, но важен для понимания принципов работы псевдодальномерного метода.

Поясним суть дальномерного метода на примере. Представим, что потребитель — это корабль в море, которому для продолжения плавания требуется узнать где же он расположен. На корабле есть часы, по которым матросы узнают время. На берегу добрые и изобретательные люди установили два маяка, как показано на рисунке.

Капитан предварительно договорился со смотрителем первого маяка, что ровно в полночь, и не наносекундой позже, тот подаст сигнал. Около полуночи матросы собрались вокруг корабельных часов, и как только получили сигнал — записали показания часов. На часах, естественно, было немного за полночь. Скажем, на . Если известна скорость распространения сигнала , то сразу можно сказать, что расстояние между первым маяком и кораблем составляет . Тогда штурман может взять карту, циркуль и начертить окружность радиусом вокруг первого маяка.

Уравнение этой окружности можно записать как:

где — координаты первого маяка.

В любой из точек окружности, что попали в море, может находиться корабль. Это уже лучше, чем полная неопределенность, но хотелось бы ограничиться одной возможной точкой. Для этого необходимо повторить измерения расстояния до второго маяка — получить оценку . Множество возможных положений, при которых расстояние до второго маяка составляет — ещё одна окружность. Её уравнение дополняет первое:

где — координаты второго маяка.

Наш корабль должен одновременно находиться и на одной, и на другой окружности. Таких точек, а это точки пересечения окружностей, всего две. Но одна из них находится на суше, а морякам достаточно выглянуть за борт, чтобы понять, что они всё же в море. Остается один претендент — точка в море, которая и есть измеренное положение корабля.

Задача
Предположим, что в качестве сигнала использовалась вспышка света, а расстояние до первого маяка составляет 1000 км. Что показали часы в первый раз?

Задача
Допустим, часы на корабле запаздывают на 1 мс. Оцените вызванную этим фактом погрешность определения координат.

Псевдодальномерный метод

Ранее мы считали, что часы на корабле и маяках синхронизированы. Для реальных часов это нехарактерно. Пусть часы на корабле опережают часы маяков на величину . Тогда часы моряков будут измерять задержку сигнала со смещением на , таким образом вместо расстояний измерять величины:

Величины называются псевдодальностями.

Задача
Запишите уравнения, связывающие псевдодальности, координаты маяков и координаты корабля. Сколько неизвестных в полученной системе уравнений? Каков их «физический смысл»? Сколько маяков необходимо использовать для решения задачи?

Псевдодальномерный метод используется и в СРНС. Спутники выступают в качестве сети синхронизированных маяков. При этом маяки хоть и перемещаются в пространстве с огромной скоростью, навигационная аппаратура с помощью передаваемых эфемерид рассчитывает положение спутников на момент излучения. Как и в примере с кораблем, для определения координат на плоскости достаточно трех спутников. Для получения трех пространственных координат потребуется дополнительное измерение псевдодальности до четвертого космического аппарата.

Псевдо радиально-скоростной метод

Ранее мы рассмотрели задачу определения координат потребителя и поправки к его шкале времени. Аналогично решается задача определения скорости потребителя. Отличие заключается в том, что входными данными задачи выступают смещенные оценки взаимной скорости, а не расстояния. Смещение определяется скоростью расхождения часов потребителя и спутников.

Благодаря эффекту Доплера взаимная скорость пропорциональная доплеровскому сдвигу частоты, оценку которого производит приемник.

Определение угловой ориентации

Угловая ориентация потребителя определяется путем сравнения задержек сигнала в нескольких разнесенных в пространстве точках. Разность хода сигнала при этом связана с углом между линией, соединяющей антенны, и направлением на спутник. Проведя измерения для нескольких спутников можно получить единственное решение для параметров ориентации антенной системы.

Литература

Методы навигации крылатых ракет


Учитывая опыт боевого применения крылатых ракет, охватывающий шесть с половиной десятилетий, их можно рассматривать как зрелую и хорошо зарекомендовавшую себя технологию. За время их существования произошло значительное развитие технологий, используемых при создании крылатых ракет, охватывающих планер, двигатели, средства преодоления ПВО и системы навигации.
Благодаря технологиям создания, планера ракеты становились все более и более компактными. Теперь их можно разместить во внутренних отсеках и на внешних подвесках самолетов, корабельных пусковых установках трубного типа или торпедных аппаратах подводных лодок. Двигатели изменились от простых пульсирующих воздушно-реактивных двигателей через турбореактивные и жидкотопливные ракетные двигатели или прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ПВРД) к нынешней комбинации турбореактивных двигателей для дозвуковых тактических крылатых ракет, турбовентиляторных для дозвуковых стратегических крылатых ракет и прямоточных воздушно-реактивных двигателей или смешанных турбореактивных/ракетных конструкций для сверхзвуковых тактических крылатых ракет.
Средства преодоления ПВО возникли в 1960-х годах когда системы противовоздушной обороны приобрели большую эффективность. К ним относятся низкая высота полета с огибанием рельефа местности или полёт ракеты на предельно малой высоте над поверхностью моря с целью скрыться от радаров и все чаще форма повышающая малозаметность и радиопоглощающие материалы, призванные снизить радиолокационную заметность. Некоторые советские крылатые ракеты были также оборудованы передатчиками помех оборонительного назначения, призванных сорвать перехват зенитноракетных комплексов.
Наконец, за этот период значительно развилась и разнообразилась система навигации крылатых ракет.
Проблемы навигации крылатых ракет
Основной идеей всех крылатых ракет является то, что это оружие может быть запущено в цель вне пределов досягаемости систем противовоздушной обороны противника с целью не подвергать стартовую платформу ответной атаке. Это создает серьезные проблемы проектирования, первой из которых становится задача заставить крылатую ракету надежно переместиться на расстояние до тысячи километров в непосредственную близость к намеченной цели — и как только она будет находиться в непосредственной близости от цели, обеспечить боевой части точное наведение на цель чтобы произвести запланированный военный эффект.

Первая боевая крылатая ракета FZG-76/V-1
Первой боевой крылатой ракетой была немецкая FZG-76/V-1, более 8000 которых было применено, причем, в основном, по целям в Великобритании. Если судить по современным меркам то ее система навигации была достаточно примитивной: автопилот на базе гироскопа выдерживал курс, а анемометр расстояние до цели. Ракета выставлялась по намеченному курсу перед запуском и на ней выставлялось рассчетное расстояние до цели и как только одометр указывал, что ракета находится над целью, автопилот уводил её в крутое пикирование. Ракета обладала точностью в около мили и этого было достаточно для бомбардировки крупных городских целей, таких как Лондон. Главной целью бомбардировок было терроризирование гражданского населения и отвлечение воинских сил Великобритании от наступательных операций и направление их на выполнение задач ПВО.

Первая американская крылатая ракета JB-2 являющаяся копией немецкой V-1
В непосредственно послевоенный период США и СССР воссоздали V-1 и начали развитие своих собственных программ крылатых ракет. Первое поколение театра военных действий и тактического ядерного оружия вызвало создание крылатых ракет серии Regulus ВМС США, серии Mace/Matador ВВС США и советских серий Комета КС-1 и Комета-20 и дальнейшего развития технологии навигации. Все эти ракеты первоначально используют автопилоты на основе точных гироскопов, но также возможности корректировки траектории ракеты по каналам радиосвязи так, что ядерная боеголовка могла быть доставлена как можно точнее. Промаха в сотни метров может быть достаточно, чтобы уменьшить избыточное давление произведенное ядерной боеголовкой было ниже летального порога укрепленных целей. В 1950-х годах на вооружение поступили первые конвенциональные послевоенные тактические крылатые ракеты, прежде всего в качестве противокорабельного оружия. В то время как на маршевом участке траектории наведение продолжалось на основе гироскопа, а иногда и корректировалось по радиосвязи, точность наведения на конечном участке траектории обеспечивалась ГСН с РЛС малой дальности действия, полуактивной на самых ранних версиях, но вскоре вытесненной активными радарами. Ракеты этого поколения обычно летят на средних и больших высотах, пикируя при атаке на цель.

Межконтинентальная крылатая ракета Northrop SM-62 Snark
Следующий важный этап в технологии навигации крылатых ракет последовал с принятием на вооружение межконтинентальных крылатых ракет наземного базирования Northrop SM-62 Snark, предназначенных для автономного полета над полярными регионами для атаки крупными ядерными боеголовками целей на территории Советского Союза. Межконтинентальные расстояния представили перед конструкторами новый вызов — создать ракету способную поражать цели на расстоянии в десять раз больше, чем это могли сделать более ранние версии крылатых ракет. На Snark была установлена надлежащая инерциальная навигационная система использующая гиростабилизированный платформу и точные акселерометры для измерения движения ракеты в пространстве, а также аналоговый компьютер используемый для накопления измерений и определения положения ракеты в пространстве. Однако вскоре выявилась проблема, дрейф в инерциальной системе был слишком велик для оперативного использования ракеты, а ошибки инерциальной системы позиционирования оказались кумулятивными — таким образом, погрешность позиционирования накапливалась с каждым часом полета.
Решением этой проблемы стало другое устройство, предназначенное для выполнения прецизионных измерений географического положения ракеты на траектории её полета и способное исправить или «привязать» ошибки генерированные в инерциальной системе. Это фундаментальная идея и сегодня остается центральной в конструкции современного управляемого оружия. Так, накопленные ошибки инерциальной системы периодически сводятся к ошибке позиционного измерительного прибора.

Крылатая ракета Martin Matador
Для решения этой задачи была применена астронавигационная система или ориентация по звездам, автоматизированное оптическое устройство, осуществляющее угловые измерения известного положения звезд и использующая их для расчета положения ракеты в пространстве. Астронавигационная система оказались весьма точной, но и довольно дорогой в производстве и сложной в обслуживании. Также требовалось, чтобы ракеты, оснащенные этой системой, летели на большой высоте во избежание влияния облачности на линию визирования к звездам.
Менее известно, что успех астронавигационных систем, повсеместно послужил толчком в развитии в настоящее время спутниковых навигационных систем, таких как GPS и ГЛОНАСС. Спутниковая навигация основывается на аналогичной астронавигации концепции, но вместо звезд используются искусственные спутники Земли на полярных орбитах, а вместо естественного света искусственные СВЧ сигналы, а также используются измерения псевдо-диапазона, а не угловые измерения. В итоге эта система значительно снизила расходы и позволила осуществлять определение местоположения на всех высотах в любых погодных условиях. Несмотря на то, что технологии спутниковой навигации были изобретены в начале 1960-х годов, они стали оперативно использоваться только в 1980-е годы.
В 1960-е годы произошли существенные улучшения точности инерциальных систем, а также увеличилась стоимость такого оборудования. В результате это привело к противоречивым требованиям по точности и стоимости. Как результат возникла новая технология в области навигации крылатых ракет основанная на системе определения местоположения ракеты путем сопоставления радиолокационного отображения местности с эталонной картографической программой. Данная технология поступила на вооружение крылатых ракет США в 1970-е годы и советских ракет в 1980-е. Технология TERCOM (система цифровой корреляции с рельефом местности блока наведения крылатой ракеты) была использована, как и система астронавигации, для обнуления совокупных инерциальных системных ошибок.

Крылатая ракета Комета
Технология TERCOM относительно проста по замыслу, хотя и сложна в деталях. Крылатая ракета непрерывно измеряет высоту местности под траекторией своего полета, используя для этого радиолокационный высотомер, и сравнивает результаты этих измерений с показаниями барометрического высотомера. Навигационная система TERCOM также хранит в себе цифровые карты высот местности, над которой ей предстоит лететь. Затем с помощью компьютерной программы профиль местности, над которым пролетает ракета сравнивается с сохраненной в памяти цифровой картой высот с целью определить наилучшее их соответствие. Как только профиль согласован с базой данных, можно с большой точностью определить положение ракеты на цифровой карте, что используется для исправления совокупных ошибок инерциальной системы.

TERCOM обладала огромным преимуществом перед астронавигационными системами: она позволяла крылатым ракетам осуществлять полет на предельно низкой высоте необходимой для преодоления ПВО противника, она оказалась относительно дешевой в производстве и очень точной (до десятка метров). Это более чем достаточно для 220 килотонной ядерной боеголовки и достаточно для 500 килограммовой конвенциональной боеголовки применяемой против множества типов целей. И всё же TERCOM не была лишена недостатков. Ракета которая должна была пролететь над уникальной холмистой местностью, легко сравниваемой с профилем высоты цифровых карт, обладала превосходной точностью. Однако TERCOM оказалась неэффективна над водной поверхностью, над сезонно изменяемой местностью, такой как песчаные дюны и местностью с различной сезонной отражательной способностью радара, такой как сибирская тундра и тайга, где снегопады могут изменить высоту местности или скрыть её особенности. Ограниченная емкость памяти ракет часто затрудняла хранение достаточного количества картографических данных.


Крылатая ракета Boeing AGM-86 CALCM
Будучи достаточной для оснащенных ядерными боеголовками КР Томагавк RGM-109A ВМФ и AGM-86 ALCM ВВС, TERCOM была явно не достаточной для уничтожения обычной боеголовкой отдельных зданий или сооружений. В связи с этим ВМС США оснастили TERCOM крылатых ракет Томагавк RGM-109C/D дополнительной системой основанной на так называемой технологии корреляции отображения объекта с его эталонным цифровым образом. Эта технология была использована в 1980-е годы на баллистических ракетах Першинг II, советских КАБ-500/1500Кр и американских высокоточных бомбах DAMASK/JDAM, а также на последних китайских управляемых противокорабельных ракетных комплексах, предназначенных для борьбы с авианосцами.
При корреляции отображения объекта используется камера для фиксации местности перед ракетой, а затем информация с камеры сравнивается с цифровым изображением полученным с помощью спутников или воздушной разведки и хранящейся в памяти ракеты. Измеряя угол поворота и смещение, необходимые для точного совпадения двух изображений, прибор способен очень точно определить ошибку местоположения ракеты и использовать её для коррекции ошибок инерциальной и TERCOM навигационных систем. Блок цифровой корреляции системы наведения крылатых ракет DSMAC используемый на нескольких блоках КР Томагавк были действительно точными, но обладал побочными оперативными эффектами похожими на TERCOM, которую необходимо было программировать на полет ракеты над легко узнаваемой местностью особенно в непосредственной близости от цели. В 1991-ом году во время операции Буря в пустыне, это привело к тому ряд шоссейных развязок в Багдаде были использованы в качестве таких привязок, что в свою очередь позволило войскам противовоздушной обороны Саддама расположить там зенитные батареи и сбить несколько Томагавков. Также как и TERCOM блок цифровой корреляции системы наведения крылатых ракет чувствителен к сезонным изменениям контраста местности. Томагавки, оснащенные DSMAC также несли лампы-вспышки для освещения местности в ночное время.
В 1980-е годы в американские крылатые ракеты были интегрированы первые приемники GPS. Технология GPS была привлекательна, поскольку она позволяла ракете постоянно исправлять свои инерциальные ошибки независимо от рельефа местности и погодных условий, а также она действовала одинаково как над водой, так и над землей.
Эти преимущества были сведены на нет проблемой слабой помехозащищенности GPS, так как сигнал GPS по своей природе очень слабый, восприимчивый к эффекту «повторного изображения» (когда сигнал GPS отражается от рельефа местности или зданий) и изменению точности в зависимости от количества принимаемых спутников и тому, как они распределены по небу. Все американские крылатые ракеты на сегодняшний день оснащены приемниками GPS и пакетом инерциальной системы наведения, причем в конце 1980-х и начале 1990-х годов технологию механической инерциальной системы заменили более дешевой и более точной инерциальной навигационной системой на кольцевых лазерных гироскопах.

Крылатая ракета AGM-158 JASSM
Проблемы связанные с основной точностью GPS постепенно решаются путем введения широкодиапазонных методов GPS (Wide Area Differential GPS) при которых коррекционные сигналы действительные для данного географического положения транслируются на приемник GPS по радиоканалу (в случае американских ракет используется WAGE -Wide Area GPS Enhancement). Основными источниками сигналов этой системы являются радионавигационные маяки и спутники на геостационарной орбите. Наиболее точные технологии подобного рода, разработанные в США в 1990-е годы, способны исправить ошибки GPS до нескольких дюймов в трех измерениях и являются достаточно точными, чтобы попасть ракетой в открытый люк бронемашины.
Проблемы с помехоустойчивостью и «повторным изображением» оказались наиболее трудно решаемыми. Они привели к внедрению технологии так называемых «умных» антенн, как правило, основанных на «цифровом формировании луча» в программном обеспечении. Идея, стоящая за этой технологией проста, но как водится сложна в деталях. Обычная антенна GPS принимает сигналы со всей верхней полусферы над ракетой, таким образом, включая спутники GPS, а также вражеские помехи. Так называемая антенна с управляемой диаграммой направленности (Controlled Reception Pattern Antenna, CRPA) при помощи программного обеспечения синтезирует узкие пучки, направленные к предполагаемому месторасположению спутников GPS, в результате чего антенна оказывается «слепа» во всех других направлениях. Наиболее продвинутые конструкции антенн этого типа производят так называемые «нули» в диаграмме направленности антенны направленные на источники помех для дальнейшего подавления их влияния.

Крылатая ракетаТомагавк
Большая часть проблем получивших широкую огласку в начале производства крылатых ракет AGM-158 JASSM были результатом проблем с программным обеспечением приемника GPS, в результате которых ракета теряла спутники GPS и сбивалась со своей траектории.
Продвинутые приемники GPS обеспечивают высокий уровень точности и надежную помехоустойчивость к расположенным на земной поверхности источникам помех GPS. Они менее эффективны против сложных источников помех GPS развернутых на спутниках, беспилотных летательных аппаратах или аэростатах.

Последнее поколение американских крылатых ракет использует GPS-инерциальную систему наведения, дополняет её установленной в носовой части ракеты цифровой тепловизионной камерой, преследующей цель обеспечить возможности подобные DSMAC против неподвижных целей с соответствующим программным обеспечением и возможностью автоматического опознавания образов и против подвижных целей, таких как зенитно-ракетные системы или ракетные пусковые установки. Линии передачи данных, как правило, происходят от технологии JTIDS/Link-16, внедряемой для обеспечения возможности перенацеливания оружия в случае, когда подвижная цель изменила своё местоположение в время нахождения ракеты на марше. Использование этой функции главным образом зависит от пользователей обладающих разведкой и возможностями выявления таких перемещений цели.

Долгосрочные тенденции в развитии навигации крылатых ракет приведут к их большей интеллектуальности, большей автономности, большему разнообразию в датчиках, повышенной надежности и снижению стоимости.

Межконтинентальная баллистическая ракета – быстрая доставка в любую точку планеты

Межконтинентальная баллистическая ракета (МБР) – вооружение с боевой частью и дальностью полета от 5000 км. Предназначены для уничтожения целей на средней и большой дальности при помощи ядерной (термоядерной) боеголовки.

Современные МБР оборудованы защитой от ПРО противника (маскировка, ложные цели, разделяющаяся головная часть) и способны ее преодолевать. Запуск МБР осуществляется со стационарных установок, мобильных комплексов и атомных подводных лодок.

История создания

В начале 20-го века Циолковский сформулировал основные принципы ракетостроения и создал первую схему жидкого реактивного двигателя. Он предсказал, что уже через пару десятилетий человечество начнет осваивать ближний космос.В 1909 году Р. Годдард предложил идею о многоступечатой ракете, где пустая ступень отделялась от конструкции, уменьшая ее массу и увеличивая дальность полета.

ФАУ-1

В 1937 году в Германии появляется ракетный центр, возглавленный В. Фон Брауном и К. Риделем. В центре была оборудована аэродинамическая труба для испытаний, а также построен завод по сжижению кислорода. Первым созданным изделием стал самолет-снаряд ФАУ-1, на основе которого затем в 1942 году сконструировали баллистическую ракету ФАУ-2. При массе ракеты в 13 тонн дальность полета составляла 300 км со скоростью 1,5 км/с.

Образцы ФАУ-2 и наработки немецких ракетчиков в конце второй мировой войны попали в США и СССР почти одновременно.

На их основе уже через год американцами была создана ракета «Redstone». Ученые СССР в 1948 году разработали ракету Р-1, а затем в 1957 году успешно испытали МБР Р-7 (доработанная Р-1).

Принцип работы и конструкция МБР

За небольшой отрезок времени перед стартом в систему управления ракеты вносятся координаты цели и параметры траектории полета, после чего происходит пуск двигателей первой ступени. Во время разгона МБР специальными рулями корректируется курс для вывода ее на вычисленную траекторию. На нужной высоте выполняется расстыковка носителя и головной части с боеголовкой.

Головная часть продолжает инерциальное движение, ориентируясь на цель при помощи своих двигателей, и выставляет боеголовки на определенную траекторию. Носитель и отработанные ступени после разделения падают и сгорают в плотных слоях атмосферы.

МБР состоит из разгонных ступеней и головной части с боевымблоком (защищен специальным обтекателем). В головную часть входят: разводящая установка («автобус»), боеголовка (боеголовки), система подавления ПРО противника, бортовой электронный вычислительный комплекс (БЭВК).

Существует три типа баллистических ракет в зависимости от вида используемого топлива: твердотопливные (алюминий+перхлорат аммония), жидкотопливные (керосин+жидкий кислород), смешанные (ступени с разным типом топлива – «Кречет»).

Последние почти не используются.

Твердотопливные МБР имеют более простую конструкцию, дольше хранятся, быстрее приводятся в готовность. Но жидкотопливные МБР имеют лучшие летные показатели, большую полезную нагрузку, способны к многократным циклам включения/выключения и регулировке тяги.

Различается также и материал, из которого изготавливаются ступени ракеты. В твердотопливных МБР используется композит на основе стеклопластика с внутренним термостойкимпокрытием. В жидкотопливныхМБР корпус выполнен из сплава алюминия и магния. Внешняя поверхность всех типов ракет покрыта слоем темного цвета, который защищает корпус от нагрева и поражающих факторов при ядерном или нейтронном взрыве.

Отделение ступеней происходит по минометной схеме – пространство между ступенями заполняется газом из газогенератора и срабатывают детонирующие заряды в месте крепления ступеней. Данная схема позволяет развести ступени без удара, а также предельно плотно скомпоновать межступенную область.

Команда на разделение ступеней подается БЭВК при достижении необходимой скорости и траектории. Если в отделяемой ступени остается топливо, то его неконтролируемое догорание не влияет на курс. Время разгона ракеты составляет до 5 минут, достигаемая скорость головной части – 6-8 км/с.

После отделения головной части начинает свою работу ступень разведения.

При помощи жидкотопливных двигателей происходит расстановка боевых блоков по траекториям. За точность данной операции отвечает радиоэлектронное оборудование и вычислительный комплекс с инерциальной системой управления.

Для защиты от перегрева и поражающих факторов ядерного оружия на боевой ступени установлен обтекатель определенной формы с защитным покрытием. Он улучшает аэродинамические показатели во время полета в плотных слоях атмосферы. По достижении рассчитанной БЭВК высоты происходит его сброс.

Головная часть – передняя часть ракеты с боевым блоком, выполненная в виде конуса. В боевом блоке в большей своей массе используются термоядерные заряды. По количеству таких зарядов головная часть является моноблочной (только 1 заряд) или разделяющейся. В зависимости от способности управления после отделения ГЧ можно разделить на маневрирующую и неуправляемую.

Разделяющаяся головная часть бывает рассеивающего типа и с отдельным наведением каждой боеголовки. Рассеивающий тип ГЧ в настоящее время не применяется из-за своей низкой эффективности. Головная часть с отдельным наведением каждого боевого блока (ББ) может поражать цели, находящиеся на значительном расстоянии.

Точность попадания ББ описывается параметром КВО – максимальный радиус круга, в который упадет ББ в 50% случаев. Для американских МБР лучший показатель составляет около 100 м, для российских – 200 м.

Для противодействия ПРО противника в головной части кроме боевого блока размещены средства преодоления ПРО.

К ним относятся: различного вида отражатели; легкие и тяжелые ложные цели (последнее поколение имеет собственные двигатели и способноследовать за боевыми блоками до самой поверхности); передатчики – постановщики помех. Общая масса системы преодоления – до 0,5 тонны.

К довольно действенным средствам преодоления ПРО можно отнести использование настильной траектории. Небольшая высота полета значительно снижает заметность МБР, кроме того кратно снижается дальность и время подлета. Так как современные ГЧ баллистических ракет способны маневрировать при вхождении в атмосферу, то задача комплексов ПРО сильно усложняется.

За точный вывод головной части с ББ на определенную траекторию отвечает бортовой электронный вычислительный комплекс в паре с навигационной системой управления. Высокая точность попадания обеспечивается использованием в системе управления ракеты алгоритмов на основе астрокоррекции (угловое положение стабилизированной гироплатформы относительно выбранной звезды) и радиокоррекции через ГЛОНАСС системы наведения.

Фазы полета и базирование МБР

Во время полета баллистическая ракета проходит через три фазы траектории:

  1. Активный участок. Старт, разгон и выведение головной части на траекторию для удара. Твердотопливные МБР последнего поколения проходят данный участок за три минуты, достигая высоты 200 км. Жидкотопливные – пять минут и 300 км соответственно. Планируется, что время прохождения данного участка для ракет нового поколения составит менее минуты.
  2. Пассивный участок. ББвместе с комплексом преодоления ПРО летят по инерции. Работает ступень разведения.
  3. Атмосферный участок. Вход блоков и ложных целей в плотные слои атмосферы с их разогревом при торможении. Длительность – около 90 секунд.

Все современные МБР входят в состав наземных или морских комплексов. МБР наземных комплексов имеют в свою очередь шахтное (ШПУ) или мобильное базирование (грунтовые, железнодорожные).

Наиболее защищенные и боеспособные- ракеты, размещенные в шахтных пусковых установках.

Их время подготовки к пуску – до четырех минут. Кроме того они способны выдержать прямоепопадание МБР противника и гарантированно быть запущенными для ответного удара по агрессору с неприемлемыми для него потерями.

В США и России пришли к одинаковому выводу – рассредоточенное расположение шахт на своей территории позволяет добиться снижения эффективности МБР противника, т.к. уменьшается шанс выведения из строя нескольких ШПУ за один удар. Другие варианты были либо слишком дорогие, либо не обеспечивали должный уровень защиты.

Самая совершенная наземная МБР у России – ракета 15А18М комплекса Р-36М2 «Воевода» с разделяющейся ГЧ и индивидуальным наведением каждой отдельной боеголовки (до 36 шт.). У США – LGM-30G «Minuteman-III» с наименьшим активным участком полета (160 секунд), наилучшей точностью среди всех МБР и РГЧ с тремя боевыми частями индивидуального наведения.

МБР морского базирования размещаются на специальных атомных подводных лодках (АПЛ) – ракетных крейсерах. Запуск осуществляется с вертикальных шахтв подводном (минометная схема) или надводном положении.

Патрулирование вод АПЛ у побережья потенциального противника исключает вероятность их уничтожения ядерным ударом, а также позволяет почти мгновенно запустить МБР в ответ, т.к. время и расстояние подлета значительно меньше. Но есть шанс, что подлодка или баллистическая ракета будет уничтожена кораблями противника во время пуска.

На данный момент на вооружении американских АПЛ класса «Огайо» размещаются до 24 БРПЛ UGM-133A Трайдент 2 с дальностью полета до 10 тыс. км суммарной мощностью 3,75 Мт каждая.

Российские АПЛ проекта 941 оснащены 16 ракетами Р-39 и Р-29РМ с 10 ББ (2Мт), дальность полета – 8 тыс. км.

Способы защиты

Система предупреждения о ракетном нападении (СПРН) предназначена для обнаружения запуска ракет противником и расчета времени и места их подлета. Она позволяет вовремя привести в боевую готовность свои МБР и нанести ответный удар.

В СПРН входят: группировка искусственных спутников Земли, которая отслеживает старт МБР; радиолокационные станции дальнего обнаружения; загоризонтные радиолокационные станции. Данной системой обладают Россия и Америка.

Оружие упреждающего удара – высокоточные ракеты малой дальности (Pershing-2), способные с большой вероятностью вывести из строя шахтные пусковые установки. Эффективность снижается при использовании противником маскировки в виде ложных ШПУ, т.к. большая часть МБР остается боеспособной.

Стратегическая ПРО подразумевает перехват МБР противника специальной баллистической противоракетой с осколочной или ядерной боевой частью.

К концу 20-го века территориальная ПРО не создана (имеет объектовый характер).

Свое развитие система получила после выхода США из договора по ограничению ПРО в 2001 году. Была разработана противоракета GBI и ее облегченная версия PLV. Районы размещения – Калифорния, Аляска, Восточная Европа. Моделирование с перехватом GBI одиночной неманеврирующей ГЧ дало 98% шанс уничтожения.

По мнению зарубежных и российских специалистов использование ГЧ с боевыми блоками индивидуального наведения и современной системой ложных целей делает американскую противоракетную оборону бесполезной. Так из расчетов следует, что вероятность преодоления ПРОракетой «Тополь-М» – 99%.

Ракетные комплексы и установки

В таблице приведены характеристики ракетных комплексов, стоящих на вооружении в различных странах

Название P-36M (СС-18 Сатана) Р-29РМУ2 Синева UGM-133A Трайдент II (D5) DongFeng 31 (DF-31A) РТ-2ПМ2 «Тополь-М» РСМ-56 Булава
Страна Россия/СССР Россия США Китай Россия Россия
Принята на вооружение, год 1978 2007 1987 2006 2000 2013
Базирование шахтное морское морское морское шахтное/мобильное морское
Дальность полета, км 16000 11547 11300 11200 11000 10000
Точность, м 300 500 120 300 200 350

Как видно из таблицы точность МБР последнего поколения возросла, кроме того свои баллистические ракеты появились у Франции и Китая. Данный факт свидетельствует о том, что на мировой политической и военной арене появились новые игроки, способные повлиять на стратегический ядерный баланс.

Подводя итог можно отметить, что межконтинентальные баллистические ракеты являются основным средством ядерного сдерживания.

Наличие их на вооружении ведущих стран мира позволяет сохранить паритет в возможном глобальном конфликте (в третьей мировой войне не будет ни победителей ни проигравших) и остудить горячие головы политиков.