Техника и вооружения ПВО/ПРО

Е.Г. Болотов, Б.Я. Мизрохи
Новое поколение зенитных управляемых ракет средней дальности

В настоящее время благодаря применению новых газодинамических способов управления и совершенствованию бортовой аппаратуры появилось новое поколение зенитных управляемых ракет (ЗУР) средней дальности - массой 300...450 кг и дальностью до 100 км. Авторы сочли возможным отнести эти ЗУР к классу средней дальности, руководствуясь среди прочих и тем соображением, что последние модернизации ЗУР в зенитных ракетных системах "Фаворит", "Триумф" (Россия) и "Patriot РАС-2" (США) имеют максимальную дальность свыше 150 км, что дает полное основание отнести эти ЗУР к классу большой дальности (тем более, что новые ЗУР средней и большой дальности используются в составе единой зенитной ракетной системы).

Ни в коей мере не умаляя важности задач, решаемых в эшелонированной системе противовоздушной обороны ЗУР большой дальности (прежде всего поражение барражирующих на большой дальности самолетов-постановщиков активных помех), следует ясно представлять, что в условиях массированного налета зона поражения малоразмерных скоростных пилотируемых целей реально ограничивается дальностью 50...75 км. При построении обороны сухопутных объектов и кораблей военно-морского флота от главных средств массированных воздушных ударов - высокоточного оружия (низколетящих авиационных крылатых и противокорабельных ракет) максимальная дальность поражения ЗУР реально ограничивается радиогоризонтом и не превышает 20...25 км.

В этих условиях, когда задача поражения основной массы целей в налете перераспределяется на средние дальности, эффективная противовоздушная оборона может быть построена только в том случае, когда зенитная ракетная система (ЗРС) содержит в своем составе наряду с ЗУР большой дальности (обеспечивающими приемлемую помехозащищенность ЗРС) повышенный боекомплект новых ЗУР средней дальности (с максимальной дальностью действия до 100 км), способных обеспечить всеракурсную стрельбу и высокую вероятность поражения целей.

В системе противоракетной обороны (ПРО) на театре военных действий (ТВД), где основными целями являются тактические (ТБР) и оперативно-тактические баллистические ракеты (ОТБР), ЗУР средней дальности решают задачу поражения боевой нагрузки целей на нижнем рубеже перехвата - на высотах до 20...25 км и дальностях до 30...35 км.

Требование поражения боевой нагрузки цели (в отличие от установившегося критерия поражения в виде разрушения конструкции цели) является необходимым по отношению к баллистическим ракетам, особенно оснащенным химическим или бактериологическим оружием, а также к авиационным крылатым и противокорабельным ракетам.

Если боевая нагрузка подобных целей остается не уничтоженной при подрыве боевой части ЗУР, то она продолжает движение по баллистической траектории и падает вблизи точки прицеливания, нанося ущерб объекту атаки.

Необходимость гарантированного решения подобной задачи предъявляет чрезвычайно высокие требования к точности наведения ЗУР в условиях жесткого баланса времени на конечной фазе самонаведения по малоразмерным целям, когда достоверная информация о цели проявляется непосредственно перед точкой встречи ЗУР с целью. Для уничтожения боевой нагрузки таких целей требуется обеспечить либо прямое попадание ЗУР в отсек боевой нагрузки цели (при кинетическом способе поражения, в американской терминологии hit-to-kill), либо попадание в область инициирования (или уничтожения) боевой нагрузки цели при подрыве осколочно-фугасной боевой части ЗУР.

Обеспечить требуемую высокую точность на ограниченном по времени конечном участке точного самонаведения возможно лишь при реализации ЗУР режима сверхманевренности, когда время реакции ракеты (время выхода на перегрузку) па порядок меньше, а уровень поперечных перегрузок на больших высотах на порядок выше, чем у ЗУР с традиционным, аэродинамическим способом создания сил и моментов. Требуемый режим сверхманевренности может быть реализован лишь при газодинамическом способе создания сил и моментов, с помощью поперечной реактивной силы, создаваемой специальным двигателем поперечного управления (ДПУ, в американской терминологии двигательная установка поперечного управления и стабилизации DACS - divert and attitude control system). Указанная двигательная установка широко применяется при разработке боевых ступеней ракет-перехватчиков верхнего эшелона стратегической ПРО США.

Управляющая реактивная сила может быть регулируемой и приложена в центре масс ЗУР перпендикулярно продольной оси, что обеспечивает возможность непосредственного изменения траектории полета. В этом случае реализуется способ газодинамического поперечного управления. Если управляющая реактивная сила приложена на расстоянии от центра масс, то реализуется способ моментного газодинамического управления - путем изменения угла атаки ЗУР и коррекции се траектории за счет соответствующего изменения аэродинамической силы [1].

Использование перспективных газодинамических способов создания сил и моментов отличает новое поколение зенитных управляемых ракет средней дальности от предшествующего: ЗУР в составе ЗРК "Hawk" (США); С-125 и "Бук" (Россия). Разработанные в 1960-1970-с гг. на базе существующих технологий, затем модернизированные и находящиеся ныне на вооружении, эти ракеты имеют дальность полета 25...40 км, относительно высокую стартовую массу (500...950 кг), а следовательно, боекомплект ракет, готовых к пуску, сравнительно ограничен. На них используется традиционный, аэродинамический способ управления. Поражение целей при относительно больших промахах осуществляется воздействием поражающих элементов осколочно-фугасной боевой части значительной массы. Вероятность прямых попаданий при борьбе с ТБР, ОТБР и высокоточным оружием практически равна нулю. Как следствие аэродинамического способа создания сил и моментов маневренность этих ракет существенно падает с увеличением высоты полета более 15...20 км.

В настоящее время, спустя примерно 15 лет после начала разработки, можно с уверенностью выделить наиболее характерные ЗУР средней дальности нового поколения: "Эринт" (США), "Астер 15/30" (Франция), 9М96Е/Е2 (Россия). Сравнительные характеристики этих ЗУР приведены в табл. 1.

Как следует из табл. 1, для нового поколения ЗУР средней дальности характерны относительно небольшие масса и габариты, что позволяет эффективно применить газодинамические способы создания сил и моментов в атмосфере с помощью автономных двигателей поперечного управления.

Общим для ЗУР средней дальности нового поколения является реализация режима сверхманевренности за счет использования газодинамического управления. Как указывалось выше, режим сверхманевренности характеризуется наряду с увеличенными располагаемыми перегрузками минимальным временем реакции системы стабилизации ракеты при отработке команды управления.

При ограниченном времени самонаведения на высокоскоростные малоразмерные цели типа ОТБР и противокорабельные ракеты (ПКР) точность самонаведения в значительно большей степени определяется запаздыванием системы стабилизации, чем запаздыванием, вносимым фильтром обработки сигнала головки самонаведения. Это важнейшее свойство следует из "золотого правила самонаведения" [1, 11] и объясняет первостепенную важность уменьшения времени реакции благодаря применению новых способов газодинамического управления.

Сравнение способов газодинамического управления нового поколения ЗУР средней дальности и технических параметров их ДПУ целесообразно осуществлять только при системном подходе, т.е. при их рассмотрении в связи с ролью и местом этих ЗУР в составе зенитной ракетной системы и системы ПВО в целом.

ЗУР "Эринт" [2.,.6] создавалась, в первую очередь, как перехватчик нижнего рубежа ПРО на ТВД, в дополнение к перехватчику верхнего рубежа - ракете ТХААД. Основная роль ракеты "Эринт" состоит в "добивании" пропущенных верхним рубежом обороны ТБР и ОТБР одним единственным (возможно парным) обстрелом, не прибегая к повторным пускам по анализу результатов первого обстрела из-за отсутствия пространственно-временных возможностей. Отсюда главной задачей ЗУР "Эринт" в создаваемой системе ПРО на ТВД является уничтожение с высокой вероятностью боевой нагрузки баллистической ракеты с различным боевым снаряжением. Эта задача решается высокоточным наведением и кинетическим поражением ТБР в результате прямого попадания в отсек боевой нагрузки на высотах до 15 км.

Ограничение максимальной высоты кинетического поражения ТБР 15 километрами позволяет ЗУР реализовать достаточно высокие аэродинамические перегрузки при угле атаки 10...14°. Высокоточное наведение и прямое попадание в отсек боевой части обеспечиваются сочетанием точной информации о цели (вследствие применения активной радиолокационной головки самонаведения миллиметрового диапазона волн, создающей "профиль" цели с определением точки прицеливания - отсека боевой нагрузки) и предельно малого времени реакции ракеты при отработке команд управления (вследствие применения моментного газодинамического управления).

Для реализации моментного газодинамического управления на ракете "Эринт" впереди центра масс установлена импульсная двигательная установка (ИДУ), в состав которой входят 180 радиально расположенных единичных импульсных микроРДТГ (10 колец по 18 двигателей).

Характеристики импульсной двигательной установки ЗУР "Эринт"*

Характеристики единичного импульсного микроРДТТ ЗУР "Эринт"

Здесь и далее приведены оценочные значения характеристик ДПУ.

Следует отметить, что при работе расположенных в носовой части ракеты импульсных двигателей влияние их поперечно истекающих струй на расположенные в хвостовой части аэродинамические рули приводит к появлению значительных возмущающих моментов. В частности, в связи с этим на участке самонаведения, где работают микроРДТТ ИДУ, ракете придается принудительное вращение по крену со скоростью 3 об/с, а хвостовые рули используются только в качестве элеронов. (Вращение ракеты способствует также более экономичному использованию микродвигателей.)

ЗУР "Астер-15/30" [2, 7, 8] является основным ударным средством в новой ЗРС морского и сухопутного базирования. Для поражения с высокой вероятностью приоритетных для этой ЗРС целей (противокорабельных ракет, авиационных крылатых ракет, самолетов) на ракете "Астер" используется способ газодинамического поперечного пропорционального управления. Для его реализации применено оригинальное устройство комбинированного аэрогазодинамического управления, названное PIF-PAF (Pilotage en Force-Pilotage Aerodinamique Fort), что позволило резко увеличить маневренность ракеты.

ДПУ ЗУР "Астер-15/30" выполнен в виде твердотопливного газогенератора с четырьмя щелевыми соплами, оборудованными регулирующими клапанами с приводами. Сопла находятся внутри крестообразно расположенных крыльев ракеты. Тяга двигателя регулируется в соответствии с командой управления. ДПУ включается примерно за 1 с до встречи с целью. Максимальная поперечная перегрузка, создаваемая ДПУ, составляет 10...12.

Предполагаемые характеристики ДПУ

Одной из сложных технических проблем при разработке ДПУ подобной схемы является создание надежных быстродействующих клапанов, регулирующих расход высокотемпературных продуктов сгорания. Использование двухступенчатой схемы позволило на ракете "Астер" уменьшить массу боевой ступени (около 100 кг) и, как следствие, снизить максимальный уровень тяги ДПУ, что облегчило создание ДПУ с регулируемой тягой.

Размещение сопел внутри крестообразно расположенных крыльев позволило вынести истекающие струи ДПУ за размах хвостового оперения второй ступени ракеты, что минимизирует нежелательные "эффекты взаимодействия" и обеспечивает управление и стабилизацию ракеты хвостовыми аэродинамическими рулями. Платой за такое решение является увеличение поперечных размеров транспортно-пускового контейнера и пускового модуля (как следствие невозможности сложить крылья с расположенными в них соплами).
ЗУР 9М96Е2 [2, 9, 10] является одноступенчатой ракетой, предназначенной, как и обе предыдущие ракеты, для борьбы с современным высокоточным оружием, ТБР, а также аэродинамическими целями. Для повышения быстродействия и маневренности ракеты на конечной фазе наведения (в момент получения достаточно точной информации о цели) используется двигатель поперечного управления оригинальной схемы, включающий в себя кольцо миниатюрных двигателей, работающих по командам, поступающим от бортовой аппаратуры перехватчика. Указанный двигатель обеспечивает возможность безынерционного поперечного управления ракетой через центр масс за счет повышенного уровня реактивной тяги с выходом на поперечную перегрузку. равную 20, за 0,025 с по всей зоне поражения целей практически независимо от высоты полета. Следует отметить, что ЗУР 9М96Е2 выполнена по аэродинамической схеме "утка" - с передним расположением аэродинамических рулей, вне зоны взаимодействия потока и газовых струй ДПУ, и вращающимся блоком крыльев, минимизирующим эффекты несимметрии при их обтекании возмущенным воздушным потоком. ЗУР 9М96Е2 должна применяться в составе как сухопутной ЗРС, пак и ЗРС корабельного базирования [10]. В связи с этим можно сделать вывод, что по диапазону решаемых задач и спектру типовых целей, подлежащих перехвату, данный перехватчик наиболее близок к рассмотренному выше французскому семейству ЗУР "Астер-15/30".

Использование ДПУ повышенной тяги позволило обеспечить высокую маневренность ЗУР 9М96Е2 на конечной фазе наведения практически независимо от скорости и высоты полета, а отсутствие системы пропорционального регулирования тяги существенно упростило конструкцию двигателя и его отработку.

Следует заметить, что даже выбранная для этой ракеты аэродинамическая схема "утка" с расположением рулей вне зоны спутного газового потока и вращающийся крыльевой блок при наличии достаточно мощной истекающей струи двигателя поперечного управления (сравнительно большой тяги) не ликвидируют полностью нежелательные "эффекты взаимодействия".

Поскольку объективное сравнение способов управления ракетами невозможно без привлечения основного критерия - точности наведения, примем следующую методологию сравнения.

Положим, что сравниваются не конкретные, указанные выше ЗУР, а гипотетические ЗУР нового поколения, обладающие массовыми, летно-баллистическими и аэродинамическими характеристиками, близкими к характеристикам рассматриваемых выше реальных ЗУР, и реализующие один из новых газодинамических способов управления: моментное управление, поперечное пропорциональное управление и поперечное моноимпульсное управление [1]. Предположим также, что информационные и вычислительные характеристики бортовой аппаратуры (радиолокационной головки самонаведения и инерциальной системы управления) сравниваемых ЗУР идентичны.

В силу принятого выше положения рассматриваемые гипотетические ЗУР имеют одинаковое информационное обеспечение от средств ЗРС.

Принятая методология позволяет выявить различие в точности наведения ЗУР, обусловленное лишь различием применяемых в них способов газодинамического управления.

При сравнении различных способов газодинамического управления по критерию -точности наведения эффективным является подход, основанный на двух возможных сценариях перехвата. Первый сценарий охватывает всю совокупность условий перехвата целей, когда информационные возможности бортовых средств (радиолокационной головки самонаведения) не ограничивают энергетические возможности газодинамического способа управления. Второй сценарий относится к условиям перехвата, когда информационные возможности бортовых средств не позволяют при некоторых газодинамических способах управления реализовать полностью располагаемую характеристическую скорость двигателя поперечного управления.

Наиболее интересным с этой точки зрения является сравнение двух способов газодинамического поперечного управления: пропорционального и моноимпульсного.
Для корректности сравнения предположим также, что суммарные импульсы тяги двух ДПУ - пропорционального и моноимпульсного - одинаковы, но при этом время работы различается: ДПУ пропорционального типа работает в два раза дольше, чем ДПУ моноимпульсного типа.

При подобной постановке задачи, опираясь на кинематический анализ, можно прогнозировать следующие результаты сравнения рассматриваемых способов поперечного газодинамического управления.

В первом сценарии, справедливом для перехвата цели в свободном пространстве, способ газодинамического пропорционального управления будет обеспечивать более высокую точность наведения, в том числе и при перехвате маневрирующих целей.

Второй сценарий реализуется, например, при перехвате низколетящей цели (типа ПКР), когда влияние подстилающей поверхности существенно искажает полезную составляющую сигнала радиолокационной головки самонаведения. В этих условиях разрешение низколетящей цели (под разрешением цели понимается заметное превышение полезной составляющей сигнала над ложными составляющими) зачастую может происходить тогда, когда оставшееся время полета до точки встречи оказывается меньше располагаемого времени работы ДПУ. При таком сценарии возможно преимущество в точности наведения способа газодинамического моноимпульсного управления.

Сравним точности наведения ЗУР с различными новыми газодинамическими способами управления в принятой выше постановке задачи в условиях первого сценария: при перехвате ОТБР типа "Аль-Хуссейн", летящей по оптимальной траектории в точку расположения ЗРК при изменении высоты, следовательно, и дальности) точки встречи, а также гипотетической ЗУР с традиционным аэродинамическим управлением, относящейся к типу "Patriot PAC-2". Результаты сравнения приведены в табл. 2.

Из результатов, приведенных в табл. 2, можно сделать вывод об эффективности применения ЗУР, использующих различные способы управления (создания сил и моментов), в качестве перехватчиков ПРО на ТВД.

ЗУР с традиционным аэродинамическим управлением (типа "Patriot PAC-2") вполне сравнимы по эффективности перехвата ОТБР с ЗУР нового поколения до высот 25...27 км, далее их эффективность интенсивно снижается.

ЗУР с газодинамическим моментным способом управления имеет высокую вероятность успешного перехвата ОТБР (обеспечивается кинетическое поражение за счет прямого попадания в цель) до высоты 15 км.

ЗУР с моноимпульсным и пропорциональным газодинамическими способами поперечного управления имеют преимущество по высоте поражения ОТБР по сравнению с рассмотренными выше ракетами и близки по эффективности успешного перехвата ОТБР при принятой методологии сравнения. Различие между ними (при перехвате ОТБР) может выявиться при изменении критерия поражения (при повышении значимости в поражении цели предельно малых промахов и прямых попаданий).

Таблица 2
Относительная вероятность успешного перехвата

Отнесено к вероятности успешного перехвата при использовании пропорционального газодинамического способа управления ЗУР.

Не вдаваясь в детальные количественные оценки, необходимо отметить качественное различие в точности наведения ЗУР с традиционным аэродинамическим и новыми газодинамическими способами управления. Только ракеты с новыми газодинамическими способами поперечного управления, реализующие благодаря этому режим сверхманевренности на конечной фазе перехвата, способны обеспечить высокую вероятность прямых попаданий и кинетическое поражение цели, а в целом уменьшение ошибки наведения в 5...10 раз. Отсюда различие в требуемых для поражения цели массах боевой части: 90...150 кг для ЗУР большой дальности с аэродинамическим способом управления и 15...20 кг для ЗУР средней дальности с новыми газодинамическими способами управления.

Уменьшение массы боевой части, а также массы бортовой аппаратуры (как следствие технического прогресса) обеспечило уменьшение массо-габаритных характеристик ЗУР средней дальности нового поколения, что позволило увеличить боекомплект этих ЗУР на тех же пусковых установках в 3...4 раза.

В заключение следует отметить, что ЗУР "Эринт" и "Астер-15/30" в настоящее время успешно завершают летные испытания, в которых ими подтверждена возможность прямого попадания в малоразмерные и высокоскоростные дели (ТБР, крылатые ракеты, ПКР), что свидетельствует о правильности выбранной концепции построения нового поколения ЗУР средней дальности.

Список литературы
1. Проектирование зенитных управляемых ракет // И.И.Ангельский, П.П. Афанасьев, Е.Г. Болотов, В.Я. Мизрохи и др.; Под ред. И.С. Голубева и В.Г. Светлова. М.: Изд-во МАИ, 2001.
2. Jane's strategic weapon systems // Issue 35, August 2001.
3. Болотов E., Мизрохи В. Противоракета "Эринт": история и перспективы // Зарубежное военное обозрение. 1996. № 8.
4. Subsystems for the Extended Range Interceptor (ERINT-1) Missile //AIAA-92-2750.
5. ERINT-I Flight Test Program // AIAA-92-2756.
6. ERINT the PAC-3 Missile. Буклет фирмы Лорал на аэрокосмической выставке в Ле Бурже, 1995.
7. Будущее семейство систем ЗУР "Aстер" // Military Technology. 1988. Кз 8.
8. Рекламный проспект фирмы Aerospatiale по ЗУР "Астер". 1997.
9. Новичков Н. Россия предлагает новые версии зенитных ракет// Aviation Week, 12.10.1988.
10. 9М96Е/Е2. Противоракеты и зенитные ракеты новой генерации. Рекламный проспект ФПГ "Оборонительные системы" на МАКС-2001, г. Жуковский.
11. Мизрохи В.Я. Выбор облика ракеты и определение универсальной зависимости точности самонаведения на основе закона подобий // Полет. 2001. №2

Е.Г. Болотов, Б.Я. Мизрохи
Новое поколение зенитных управляемых ракет средней дальности
Специальный выпуск журнала "Полет" к 50-летию МКБ "Факел", 2003 г.