Кинетическая боеголовка /варианты/
Изобретение относится к противоракетной обороне. Кинетическая боеголовка имеет систему наведения и жидкостные ракетные двигатели (ЖРД), направленные вбок или вбок-назад. ЖРД размещены в одной поперечной плоскости впереди или позади центра масс боеголовки. Боеголовка имеет синхронизатор расхода компонентов топлива. Три или более состыкованных торцами одинакового диаметра бака с закрепленными на них жидкостными ракетными двигателями закреплены на боеголовке параллельно ее продольной оси и шарнирно с возможностью поворота в плоскость центра масс остальной части боеголовки. Техническим результатом изобретения является повышение боеспособности боеголовки. 4 н. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к противоракетной обороне и предназначено для поражения баллистических боеголовок противника и космических спутников.
Известны ракеты «Стандарт-3М» с кинетической боеголовкой, см. интернет-ресурс, Википедия, «Кинетическая боеголовка». Серьезным ее недостатком является применение многосоплового твердотопливного ракетного двигателя (ТТРД). Вследствие этого кинетическая боеголовка имеет ограниченное время активной работы (то есть полета с возможностью подруливания) и, так как производительность ТТРД примерно постоянна, сравнительно небольшую располагаемую тягу.
Задача и технический результат изобретения - повышение боеспособности боеголовки путем значительного повышения времени активной работы и максимальной располагаемой тяги боеголовки, а также путем повышения ее пробивающих свойств.
ВАРИАНТ 1. Для этого, как и прототип, боеголовка имеет систему наведения и двигатель, но применены жидкостные ракетные двигатели (ЖРД), направленные вбок или вбок-назад и расположенные так, что векторы тяги проходят через центр масс боеголовки. Это сразу меняет дело - современные баки для ракетного топлива допускают длительное хранение компонентов жидкого ракетного топлива с возможностью использовать их в любой момент. То есть активный период действия боеголовки до верхней точки ее траектории. А так как в ЖРД можно организовать подачу компонентов в достаточно большом количестве, то возможно достижение значительно большей максимальной тяги, чем с ТТРД. То есть возможен перехват целей, маневрирующих с большей перегрузкой, чем этот показатель у прототипа.
Желательно применение самовоспламеняющихся компонентов ракетного топлива - горючего и окислителя.
Желательно применение вытеснительной системы подачи компонентов топлива. Она, правда, обеспечивает заполнение топливного бака только примерно на 50%, остальное необходимо для запаса газа (применение баллонов с редуктором, возможно, лишь утяжелит конструкцию). Для компенсации уменьшающегося по мере расхода топлива давления вытесняющего газа нужно предусмотреть увеличенные проходные сечения трубопроводов, форсунок и клапанов.
Желательно применить шесть ЖРД, расположенных под углом 60 градусов в плоскости поперечной проекции. В этом случае есть возможность для получения максимальной тяги включить сразу 2 или 3 двигателя. Максимально достижимая тяга при этом колеблется от 173,2% до 200% от тяги одного ЖРД.
Можно расположить двигатели в поперечной плоскости, и тогда боковая тяга будет максимальна, а можно ориентировать двигатели вбок-назад (около 15-20 градусов), тогда они, незначительно потеряв в боковой тяге, будут давать еще и тягу, направленную вперед. Это потребует введения моментальной коррекции в систему наведения, так как быстро изменится поступательная скорость боеголовки, зато это увеличит высоту и дальность досягаемости.
Для сохранения ориентации в пространстве боеголовка имеет 6 рулевых жидкостных ракетных микродвигателй, размещенных в одной поперечной плоскости впереди или позади (здесь и далее все направления даны относительно направления полета боеголовки) центра масс боеголовки, 4 из которых параллельны друг другу для ориентации по крену. Эти двигатели могут работать на том же топливе, или на более удобном - однокомпонентном. Бак для однокомпонентного топлива может располагаться в центре масс боеголовки или два бака должны быть расположены по обе стороны от центра масс (см. ниже).
Но применение ЖРД в боеголовке требует особого расположения баков с горючим и окислителем, такого, чтобы при расходовании компонентов топлива центр масс боеголовки не менялся.
ПОДВАРИАНТ 1а. Один из вариантов такого расположения баков такой - одинаковые баки с горючим и окислителем расположены попарно спереди и сзади центра масс боеголовки на одинаковом расстоянии от него.
При этом для синхронизации расхода компонентов топлива из переднего и из заднего бака необходимо применение синхронизатора расхода. Он представляет из себя две машины объемного вытеснения одинаковой производительности, расположенные на одном валу. Нужно три таких синхронизатора - на баки с горючим, на баки с окислителем и на соотношение горючего с окислителем. Можно объединить их в один, он будет представлять собой две машины объемного вытеснения для горючего, и две машины объемного вытеснения для окислителя, попарно расположенные на одном валу с промежутком между парами (чтобы синхронизатор не взорвался).
Желательно задние торцы баков делать более прочными, чем передние, так как они испытывают большую нагрузку во время продольных перегрузок.
Вышеуказанный вариант расположения баков показан на фиг. 1. В плоскости центра масс расположены шесть ЖРД 1, спереди и сзади них (слева и справа на чертеже) расположены два цилиндрических совмещенных бака для горючего 2, и для окислителя 3 (левый бак показан в разрезе). На стороне, обращенной к двигателям, он имеет теплоизоляцию 4. Для равномерно расположения масс боеголовка имеет два отсека для аппаратуры - передний 5 и задний 6 (в них могут быть антенна, электроника, аккумуляторы и т.п.). В заднем отсеке показаны шесть рулевых микроЖРД 7.
Работает боеголовка за счет ЖРД и рулевых микро ЖРД, резко перемещаясь перпендикулярно продольной ориентации боеголовки.
Для отделения компонентов топлива от вытесняющего газа в баках должны быть сильфоны, мембраны или поршни. Однако поршни при таком соотношении «диаметр/длина» неустойчивы и могут заклиниваться, а мембраны и сильфоны плохо переносят боковые перегрузки.
ПОДВАРИАНТ 1б. Для предотвращения этого недостатка следует уменьшить упомянутое соотношение диаметр/длина. Поэтому в этом подварианте боеголовка имеет одинаковые баки с горючим и окислителем, расположенные попарно, параллельно и с соблюдением точечной симметрии относительно центра масс спереди и сзади центра масс боеголовки на одинаковом расстоянии от него.
Этот подвариант показан на фиг. 2 - вид сбоку и сзади (показаны только двигатели, баки и боковые отсеки 8, все остальные элементы аналогичны фиг. 1). Боеголовка содержит слева и справа по одному цилиндрическому баку для горючего 2, расположенных с соблюдением точечной симметрии относительно центра масс ЦМ, и по одному баку для окислителя 3, расположенных так же (на чертеже - крест-накрест). Для заполнения пустующего около баков объема рядом с ними спереди и сзади расположены секторные отсеки с аппаратурой 8.
Работает этот подвариант так же.
ПОДВАРИАНТ 1в. Но предыдущий подвариант имеет плохой коэффициент заполнения поперечного сечения боеголовки. Для улучшения этого коэффициента и для улучшения соотношения «диаметр/длина» бака в этом подварианте боеголовка имеет спереди и сзади по два бака с горючим и по два бака с окислителем, расположенных попарно спереди и сзади центра масс боеголовки на одинаковом расстоянии от него.
Следует отметить, что в этом подварианте увеличивается общая поверхность баков, что теоретически может вызвать повышение их массы. Однако чем меньше диаметр бака, тем тоньше может быть его стенка. Поэтому увеличение массы баков будет незначительным.
Этот подвариант показан на фиг. 3 - вид сбоку и сзади (показаны только двигатели и баки, все остальные элементы аналогичны фиг. 1). Боеголовка содержит спереди и сзади по два цилиндрических бака для горючего 2, расположенных параллельно, и по два бака для окислителя 3.
Работает этот подвариант так же.
ПОДВАРИАНТ 1г. Но баки можно расположить и несимметрично. Надо только при этом соблюсти условие постоянства их общего центра масс при расходовании топлива. То есть боеголовка имеет два бака с горючим и окислителем, расположенных по разные стороны центра масс, но при этом независимо от расхода топлива должно соблюдаться уравнение:
K(L+A)=1+а,
где K - соотношение по объему большего компонента топлива к меньшему, например окислителя к горючему,
L - расстояние от внутреннего торца большого бака до центра масс его топлива,
А - расстояние до внутреннего торца большого бака от центра масс боеголовки,
1 - расстояние от внутреннего торца малого бака до центра масс его топлива,
а - расстояние до внутреннего торца большого бака от центра масс боеголовки.
Внутренним торцом условимся считать торец, обращенный к центру масс. Так как торец бака обычно имеет вид части сферы или полуэллипсоид вращения, то условимся считать расстояние до «эквивалентного» торца, то есть до плоского торца бака с плоским торцом, который равен по объему баку со сферическим или полуэллиптическим торцом.
Это уравнение может соблюдаться независимо от расхода, только если L=K*1.
Этот подвариант показан на фиг. 4 - вид сбоку (показаны только двигатели и баки, все остальные элементы аналогичны фиг. 1). Боеголовка содержит спереди от центра масс бак для окислителя 3 (бак для окислителя обычно больше, чем бак для горючего, исключение - бак для водорода), а сзади - бак для горючего 2. Для уменьшения общей длины бака 2 его газовая часть имеет вид стакана 9 большего диаметра, чем диаметр бака. Для разделения горючего и газа имеется поршень 10 в виде стакана.
Допустим, расстояние L=2 единицы (условные), расстояние А=1 единица, а коэффициент соотношения «окислитель/горючее» равен 2,5 (что примерно соответствует топливу «раствор пятиокиси азота в азотной кислоте + терпены, то есть - скипидар). Тогда расстояние 1 = 5 единиц, а расстояние а=2,5 единицы. Это соотношение показано на фиг. 4 в нижней линии размерностей.
ВАРИАНТ 2. Однако возможен и другой способ соблюдения постоянства расположения центра масс боеголовки при расходовании топлива - расположить баки поперечно в плоскости центра масс. В данном варианте три или более совмещенных (то есть состыкованных торцами одинакового диаметра) бака с закрепленными на них жидкостными ракетными двигателями закреплены на боеголовке параллельно ее продольной оси шарнирно с возможностью поворота в плоскость центра масс остальной части боеголовки (см. фиг. 5). «Остальная часть» - это боеголовка без баков и основных ЖРД.
Этот вариант хорош тем, что повернутые в рабочее положение баки с двигателями увеличивают мидель боеголовки (поэтому хорошо, если их будет шесть), и в случае небольшого промаха по хорошо маневрирующей цели боеголовка может задеть цель баком или двигателем. Так как при встречном поражении суммарная встречная скорость составляет примерно 6-7 км/сек, то даже небольшое касание цели двигателем боеголовки равносильно сильному взрыву.
Правда, у этого варианта есть и некоторый недостаток - его двигатели нельзя расположить в направлении вбок-назад, иначе центр масс при расходовании топлива не будет постоянен.
Этот вариант показан на фиг. 5 - вид сбоку (один совмещенный бак с двигателем показан в параллельном положении (верхний на чертеже), а второй - в откинутом положении (нижний на чертеже). Боеголовка состоит из тех же частей, что и на фиг 1, но имеет баки не спереди и сзади от центра масс, а имеет поворотные блоки 11 в виде совмещенных баков для горючего 2 и для окислителя 3 с закрепленными на них двигателями 1. Также имеются передний 5 и задний 6 отсеки для аппаратуры. В заднем отсеке показаны шесть рулевых микроЖРД 7. Отсеки 5 и 6 соединены отсеком 12, в котором может быть, например, взрывчатое вещество.
Работает этот вариант так: после выхода за пределы атмосферы обшивка и обтекатель сбрасывается, блоки 11 поворачиваются в плоскость центра масс, и работой ЖРД блоки могут изменять траекторию боеголовки.
ВАРИАНТ 3. Прототип имеет вольфрамовый кинетический поражающий элемент. Но его функции можно совместить с гироскопом точной ориентации по крену. Данная боеголовка имеет гироскоп в виде отрезка цилиндра с острым передним краем и имеет спицы этого гироскопа в виде острых спереди пластин.
Для усиления поражающего действия заостренная спереди ось гироскопа имеет шлицы, на которых с натягом посажено колесо гироскопа, а колесо центрируется двумя упорными подшипниками. То есть ось имеет возможность вылететь вперед и отдельно от гироскопа нанести глубоко проникающее поражение цели.
Этот вариант показан на фиг. 1. В переднем отсеке для аппаратуры 5 имеется колесо гироскопа 13 в виде отрезка цилиндра, расположенное на оси 14.
Работает этот вариант так: во время внеатмосферного участка наведения боеголовки точное управление по крену осуществляется с помощью гироскопа. При соударении с целью заостренное колесо гироскопа в виде отрезка цилиндра 13, его спицы (показаны пунктиром) и заостренная ось 14 наносят глубоко проникающее поражение цели.
1. Кинетическая боеголовка, содержащая систему наведения и жидкостные ракетные двигатели, направленные вбок или вбок-назад, отличающаяся тем, что имеет также 6 рулевых жидкостных ракетных микродвигателей, размещенных в одной поперечной плоскости впереди или позади центра масс боеголовки, 4 из которых параллельны друг другу для ориентации по крену.
2. Кинетическая боеголовка, содержащая систему наведения и жидкостные ракетные двигатели, направленные вбок или вбок-назад, отличающаяся тем, что для синхронизации расхода компонентов топлива из переднего и из заднего бака имеются синхронизатор расхода, который представляет собой две машины объемного вытеснения для горючего, и две машины объемного вытеснения для окислителя, попарно расположенные на одном валу с промежутком между парами.
3. Боеголовка по п. 2, отличающаяся тем, что имеет два бака с горючим и окислителем, расположенных по разные стороны центра масс, но при этом независимо от расхода топлива соблюдается уравнение:
K(L+A)=l+а,
где K - соотношение по объему большего компонента топлива к меньшему, например, окислителя к горючему,
L - расстояние от внутреннего торца большого бака до центра масс его топлива,
А - расстояние до внутреннего торца большого бака от центра масс боеголовки,
l - расстояние от внутреннего торца малого бака до центра масс его топлива,
а - расстояние до внутреннего торца большого бака от центра масс боеголовки.
4. Кинетическая боеголовка, содержащая систему наведения и двигатель, отличающаяся тем, что три или более состыкованных торцами одинакового диаметра бака с закрепленными на них жидкостными ракетными двигателями закреплены на боеголовке параллельно ее продольной оси и шарнирно с возможностью поворота в плоскость центра масс остальной части боеголовки.
5. Кинетическая боеголовка, содержащая систему наведения и двигатель, отличающаяся тем, что имеет гироскоп в виде отрезка цилиндра с острым передним краем и имеет спицы этого гироскопа в виде острых спереди пластин.
6. Боеголовка по п. 5, отличающаяся тем, что заостренная спереди ось гироскопа имеет шлицы, на которых с натягом посажено колесо гироскопа.
7. Боеголовка по п. 5, отличающаяся тем, что колесо гироскопа центрируется двумя упорными подшипниками.
