Боеголовка: что внутри и как она работает после отделения от ракеты
В статье о межконтинентальных баллистических ракетах было рассказано о том, как ступень разведения межконтинентальной баллистической ракеты производит нацеливание боеголовок. Однако после расставания с «автобусом» им предстоит еще долгий путь через космос и атмосферу. В продолжение темы мы поговорим об этом пути и о том, как боеголовки достигают цели.
Взглянем на некую типовую боеголовку (в реальности между боеголовками могут существовать конструктивные различия). Это конус из легких прочных сплавов. Внутри есть переборки, шпангоуты, силовой каркас - почти всё как в самолете. Силовой каркас покрыт прочной металлической обшивкой. На обшивку нанесен толстый слой теплозащитного покрытия. Это похоже на древнюю корзину эпохи неолита, щедро обмазанную глиной и обожженную в первых экспериментах человека с теплом и керамикой. Схожесть легко объяснима: и корзине, и боеголовке предстоит сопротивляться наружному жару.
Боеголовка и ее начинка
Внутри конуса, закрепленные на своих «сиденьях», находятся два основных «пассажира», ради которых все и затеяно: термоядерный заряд и блок управления зарядом, или блок автоматики. Они поразительно компактны. Блок автоматики - размером с пятилитровую банку маринованных огурцов, а заряд - с обычное огородное ведро. Тяжелый и увесистый, союз банки и ведра взорвется килотонн на триста пятьдесят - четыреста. Два пассажира соединены между собой связью, как сиамские близнецы, и через эту связь постоянно чем-то обмениваются. Диалог их ведется все время, даже когда ракета стоит на боевом дежурстве, даже когда этих близнецов только везут с предприятия-производителя.
Первая советская баллистическая ракета Р-7 стала родоначальником большого семейства космических ракет, которые внесли огромный вклад в развитие пилотируемой космонавтики. Новейшие модификации ракеты «Союз» - единственные на сегодня средства доставки экипажей на МКС.
Есть и третий пассажир - блок измерения движения боеголовки или вообще управления ее полетом. В последнем случае в боеголовку встроены рабочие органы управления, позволяющие изменять траекторию. Например, исполнительные пневмосистемы или пороховые системы. А еще бортовая электросеть с источниками питания, линии связи со ступенью, в виде защищенных проводов и разъемов, защита от электромагнитного импульса и система термостатирования - поддержания нужной температуры заряда.
После покидания автобуса боеголовки продолжают набирать высоту и одновременно мчаться в сторону целей. Они поднимаются до высших точек своих траекторий, а потом, не замедляя горизонтального полета, начинают все быстрее скатываться вниз. На высоте ровно ста километров над уровнем моря каждая боеголовка пересекает формально назначенную человеком границу космического пространства. Впереди атмосфера!
Электрический ветер
Внизу перед боеголовкой раскинулся огромный, контрастно блестящий с грозных больших высот, затянутый голубой кислородной дымкой, подернутый аэрозольными взвесями, необозримый и безбрежный пятый океан. Медленно и еле заметно поворачиваясь от остаточных воздействий разделения, боеголовка по пологой траектории продолжает спуск. Но вот навстречу ей тихонько потянул очень необычный ветерок. Чуть тронул ее - и стал заметен, обтянул корпус тонкой, уходящей назад волной бледного бело-голубого свечения. Волна эта умопомрачительно высокотемпературная, но она пока не жжет боеголовку, так как слишком уж бесплотна. Ветерок, обдувающий боеголовку, - электропроводящий. Скорость конуса настолько высока, что он в буквальном смысле дробит своим ударом молекулы воздуха на электрически заряженные осколки, происходит ударная ионизация воздуха. Этот плазменный ветерок называется гиперзвуковым потоком больших чисел Маха, и его скорость в двадцать раз превосходит скорость звука.
Из-за большой разреженности ветерок в первые секунды почти незаметен. Нарастая и уплотняясь с углублением в атмосферу, он сперва больше греет, чем давит на боеголовку. Но постепенно начинает с силой обжимать ее конус. Поток разворачивает боеголовку носиком вперед. Разворачивает не сразу - конус слегка раскачивается туда-сюда, постепенно замедляя свои колебания, и наконец стабилизируется.
Жара на гиперзвуке
Уплотняясь по мере снижения, поток все сильнее давит на боеголовку, замедляя ее полет. С замедлением плавно снижается температура. От огромных значений начала входа, бело-голубого свечения десятка тысяч кельвинов, до желто-белого сияния пяти-шести тысяч градусов. Это температура поверхностных слоев Солнца. Сияние становится ослепительным, потому что плотность воздуха быстро растет, а с ней и тепловой поток в стенки боеголовки. Теплозащитное покрытие обугливается и начинает гореть.
Оно горит вовсе не от трения об воздух, как часто неверно говорят. Из-за огромной гиперзвуковой скорости движения (сейчас в пятнадцать раз быстрее звука) от вершины корпуса расходится в воздухе другой конус - ударно-волновой, как бы заключая в себе боеголовку. Набегающий воздух, попадая внутрь ударно-волнового конуса, мгновенно уплотняется во много раз и плотно прижимается к поверхности боеголовки. От скачкообразного, мгновенного и многократного сжатия его температура сразу подскакивает до нескольких тысяч градусов. Причина этого - сумасшедшая быстрота происходящего, запредельная динамичность процесса. Газодинамическое сжатие потока, а не трение - вот что сейчас прогревает боеголовке бока.
Ступень разведения ракеты МХ Peacekeeper, насчитывающая десять боевых блоков. Ракета снята с вооружения. Баллистические ракеты с разделяющейся ГЧ у американцев установлены только на подводных лодках.
Хуже всего приходится носовой части. Там образуется наибольшее уплотнение встречного потока. Зона этого уплотнения слегка отходит вперед, как бы отсоединяясь от корпуса. И держится впереди, принимая форму толстой линзы или подушки. Такое образование называется «отсоединенная головная ударная волна». Она в несколько раз толще остальной поверхности ударно-волнового конуса вокруг боеголовки. Лобовое сжатие набегающего потока здесь самое сильное. Поэтому в отсоединенной головной ударной волне самая высокая температура и самая большая плотность тепла. Это маленькое солнце обжигает носовую часть боеголовки лучистым путем - высвечивая, излучая из себя тепло прямо в нос корпуса и вызывая сильное обгорание носовой части. Поэтому там самый толстый слой теплозащиты. Именно головная ударная волна освещает темной ночью местность на многие километры вокруг летящей в атмосфере боеголовки.
Бокам становится совсем несладко. Их сейчас тоже жарит нестерпимым сиянием из головной ударной волны. И обжигает раскаленный сжатый воздух, превратившийся в плазму от дробления его молекул. Впрочем, при столь высокой температуре воздух ионизируется и просто от нагрева - его молекулы распадаются на части от жары. Получается смесь ударно-ионизационной и температурной плазмы. Своим воздействием трения эта плазма шлифует горящую поверхность теплозащиты, словно песком или наждачной бумагой. Происходит газодинамическая эрозия, расходующая теплозащитное покрытие.
В это время боеголовка прошла верхнюю границу стратосферы - стратопаузу - и входит в стратосферу на высоте 55 км. Движется она сейчас с гиперзвуковой скоростью в десять-двенадцать раз быстрее звука.
Ядерный дождь. На снимке показано падение разделившихся боевых блоков американской ракеты МХ в районе полигона на атолле Кваджалейн в Тихом океане. Такое можно наблюдать только в ходе испытаний. Настоящие ядерные боеголовки до земли бы не долетели, подорвав заряд на высоте нескольких сотен метров.
Нечеловеческие перегрузки
Сильное обгорание изменяет геометрию носа. Поток, словно резцом скульптора, выжигает в носовом покрытии заостренный центральный выступ. Появляются и другие особенности поверхности из-за неравномерностей выгорания. Изменения формы приводят к изменениям обтекания. Это меняет распределение давлений сжатого воздуха на поверхности боеголовки и поля температур. Возникают вариации силового воздействия воздуха по сравнению с расчетным обтеканием, что порождает отклонение точки падения - формируется промах. Пусть и небольшой - допустим, двести метров, но по ракетной шахте врага небесный снаряд попадет с отклонением. Или не попадет вообще.
Кроме того, картина ударно-волновых поверхностей, головной волны, давлений и температур непрерывно меняется. Плавно снижается скорость, зато быстро растет плотность воздуха: конус проваливается все ниже в стратосферу. Из-за неравномерностей давлений и температур на поверхности боеголовки, из-за быстроты их изменений могут возникать тепловые удары. От теплозащитного покрытия они умеют откалывать кусочки и куски, что вносит новые изменения в картину обтекания. И увеличивает отклонение точки падения.
Одновременно боеголовка может входить в самопроизвольные частые раскачивания с изменением направления этих раскачиваний с «вверх-вниз» на «вправо-влево» и обратно. Эти автоколебания создают местные ускорения в разных частях боеголовки. Ускорения меняются по направлению и величине, усложняя картину воздействия, испытываемого боеголовкой. Она получает больше нагрузок, несимметричности ударных волн вокруг себя, неравномерности температурных полей и прочих маленьких прелестей, вмиг вырастающих в большие проблемы.
Но и этим набегающий поток себя не исчерпывает. Из-за столь мощного давления встречного сжатого воздуха боеголовка испытывает огромное тормозящее действие. Возникает большое отрицательное ускорение. Боеголовка со всеми внутренностями находится в быстро растущей перегрузке, а экранироваться от перегрузки невозможно.
Космонавты не испытывают таких перегрузок при снижении. Пилотируемый аппарат менее обтекаем и заполнен внутри не столь плотно, как боеголовка. Космонавты и не спешат спуститься побыстрее. Боеголовка же - это оружие. Она должна достичь цели как можно скорее, пока не сбили. Да и перехват ее тем труднее, чем быстрее она летит. Конус - фигура наилучшего сверхзвукового обтекания. Сохранив высокую скорость до нижних слоев атмосферы, боеголовка встречает там очень большое торможение. Вот зачем нужны прочные переборки и силовой каркас. И удобные «сиденья» для двух седоков - иначе сорвет с мест перегрузкой.
Диалог сиамских близнецов
Кстати, а что там с этими седоками? Пришло время вспомнить главных пассажиров, ибо они сидят сейчас отнюдь не пассивно, а проходят свой собственный сложный путь, и диалог их становится наиболее содержательным в эти самые мгновения.
Заряд при перевозке разобран на части. При установке в боеголовку его собирают, а устанавливая боеголовку в ракету, оснащают до полной боеготовой комплектации (вставляют импульсный нейтронный инициатор, снаряжают детонаторами и т. д.). Заряд готов к полету до цели на борту боеголовки, но пока еще не готов взорваться. Логика тут понятная: постоянная готовность заряда к взрыву не нужна и теоретически опасна.
В состояние готовности к взрыву (вблизи цели) его предстоит перевести сложными последовательными алгоритмами, базирующимися на двух принципах: надежность движения к взрыву и контроль над процессом. Система подрыва строго своевременно переводит заряд во все более высокие степени готовности. И когда в полностью готовый заряд придет из блока управления боевая команда на подрыв, взрыв произойдет немедленно, мгновенно. Боеголовка, летящая со скоростью снайперской пули, пройдет лишь пару сотых долей миллиметра, не успев сместиться в пространстве даже на толщину человеческого волоса, когда в ее заряде начнется, разовьется, полностью пройдет и уже завершится термоядерная реакция, выделив всю штатную мощность.
Тепловая картина
Финальная вспышка
Сильно изменившись и снаружи, и внутри, боеголовка прошла в тропосферу - последний десяток километров высоты. Она сильно затормозилась. Гиперзвуковой полет выродился до сверхзвука в три-четыре единицы Маха. Светит боеголовка уже тускло, угасает и подходит к точке цели.
Взрыв на поверхности Земли планируется редко - только для углубленных в землю объектов вроде ракетных шахт. Большинство целей лежит на поверхности. И для их наибольшего поражения подрыв производят на некоторой высоте, зависящей от мощности заряда. Для тактических двадцати килотонн это 400−600 м. Для стратегической мегатонны оптимальная высота взрыва - 1200 м. Почему? От взрыва по местности проходят две волны. Ближе к эпицентру взрывная волна обрушится раньше. Упадет и отразится, отскочив в стороны, где и сольется с только что дошедшей сюда сверху, из точки взрыва, свежей волной. Две волны - падающая из центра взрыва и отраженная от поверхности - складываются, образуя в приземном слое наиболее мощную ударную волну, главный фактор поражения.
При испытательных же пусках боеголовка обычно беспрепятственно достигает земли. На ее борту находится полцентнера взрывчатки, подрываемой при падении. Зачем? Во-первых, боеголовка - секретный объект и должна надежно уничтожаться после использования. Во-вторых, это необходимо для измерительных систем полигона - для оперативного обнаружения точки падения и измерения отклонений.
Многометровая дымящаяся воронка завершает картину. Но перед этим, за пару километров до удара, с испытательной боеголовки отстреливается наружу бронекассета запоминающего устройства с записью всего, что регистрировалось на борту во время полета. Эта бронефлешка подстрахует от потери бортовой информации. Ее найдут позже, когда прилетит вертолет со спецгруппой поиска. И зафиксируют результаты фантастического полета.
Первая межконтинентальная баллистическая ракета с ядерной БЧ
Первой в мире МБР с ядерной боеголовкой стала советская Р-7. Она несла один трехмегатонный боевой блок и могла поражать объекты на дальности до 11 000 км (модификация 7-А). Детище С.П. Королёва хоть и было принято на вооружение, но в качестве военной ракеты оказалось малоэффективным из-за невозможности находиться длительное время на боевом дежурстве без дополнительной заправки окислителем (жидким кислородом). Зато Р-7 (и ее многочисленные модификации) сыграла выдающуюся роль в деле освоения космоса.
Первая головная часть МБР с разделяемыми боеголовками
Первой в мире МБР с разделяющейся головной частью стала американская ракета LGM-30 Minuteman III, развертывание которой началось в 1970 году. По сравнению с предыдущей модификацией боевой блок W-56 был заменен тремя легкими боевыми блоками W-62, установленными на ступень разведения. Таким образом, ракета могла поразить три отдельные цели или сосредоточить все три боеголовки для удара по одной. В настоящее время на всех ракетах Minuteman III в рамках инициативы по разоружению оставлено лишь по одному боевому блоку.
Боеголовка с переменной мощностью
С начала 1960-х годов разрабатываются технологии создания термоядерных боеголовок с переменной мощностью. К таковым относится, например, боеголовка W80, которая устанавливалась, в частности, на ракету Tomahawk. Эти технологии создавались для термоядерных зарядов, построенных по схеме Теллера-Улама, где реакция деления ядер изотопов урана или плутония запускает реакцию слияния (то есть термоядерный взрыв). Изменение мощности происходило путем внесения поправок во взаимодействие двух этапов. Управлять мощностью боеголовки имеет смысл в зависимости от типа цели и расстояния стрельбы.
Источник: Популярная Механика