Твердое топливо Холодной войны

Наибо­лее известными из них стали ракеты М-13, использовавшиеся на леген­дарных установках залпового огня “Катюша”. Считалось, что СССР пре­восходит другие страны в ракетной области. Но вторая мировая война расставила все по своим местам. Ока­залось, что Союз преуспел только в тактических ракетных системах, а первенство в тяжелой ракетной тех­нике принадлежало Германии.

Стремление ликвидировать это отставание привело к появлению постановления Совета Министров №1017-419 от 13 мая 1946 года по воп­росу развития ракетного вооружения. В нем ставилась задача скопировать немецкие ракеты ФАУ-2 и “Вассерфаль”, с жидкостными ракетными двигателями. На это бросались все людские и финансовые ресурсы.

 

Другое направление развития ра­кетной техники — твердотопливные ракеты, становилось второстепенным. Руководство страны рассматривало их только в качестве тактического средс­тва дополняющего или заменяющего обычную артиллерию. Такой перекос в пользу ЖРД был вызван не только успехами немецких инженеров, но и большим количеством технических проблем, связанных с использованием твердого топлива на больших ракетах. Например, отсутствием технологии создания стабильно горящих порохо­вых зарядов диаметром более 600 мм, трудностями управления величиной и направлением тяги пороховых дви­гателей.

 

Кроме этого, большинство ученых вообще считало невозможным созда­ние тяжелых ракет с дальностью более 2500 км на твердом топливе, посколь­ку оно имело низкий удельный им­пульс по сравнению с топливом для ЖРД.

 

Удельный импульс, играющий столь большую роль в ракетной тех­нике, представляет собой величину механической энергии, которая может быть получена из химического топ­лива для образования тяги. Его мож­но рассчитать по простой формуле: I=T*t/W

 

где: Т- тяга(кг), t — время горения, W — вес топлива.

 

Очевидно, что для увеличения удельного импульса (I) необходимо повышать тягу и продолжительность горения, а вес топлива уменьшать. Жидкое топливо идеально вписыва­лось в это соотношение: большая тяга и продолжительность горения при сравнительно небольшом весе.

 

 

Если внимательно рассмотреть таблицу, сразу становится понятно, почему на тяжелых ракетоносителях типа Saturn, Н-1 или “Энергия” ис­пользовались жидкие кислород и во­дород.

 

Для иллюстрации важности этого показателя можно рассмотреть ха­рактер изменения производной даль­ности полета по удельному импульсу. Оказывается, что для ракеты с даль­ностью полета 11000 км летящей в ва­кууме, двигатели которой работают на керосине и кислороде, с удельным импульсом 310 кг*сек/кг, уменьше­ние удельного импульса на 1 единицу обойдется в 172 км дальности полета.

 

Теперь можно мысленно заменить жидкое топливо на твердое (при оди­наковом весе), а лучшие из твердых топлив того времени имели удельный импульс всего около 150 кг*сек/кг, и подсчитать, насколько упадет даль­ность. Невозможность создания твер­дотопливной ракеты дальнего дейс­твия будет доказана.

Поэтому, большинство постанов­лений правительства по твердотоп­ливным ракетам, выпущенных сразу после войны, касалось модернизации существующих и разработки новых реактивных снарядов для систем за­лпового огня. Пожалуй, единствен­ным исключением из этого, стала раз­работка в 1946 году неуправляемого дальнобойного реактивного порохо­вого снаряда ДРСП-1. На нем исполь­зовался ракетный двигатель твердого топлива (РДТТ) диаметром 200 мм с нитрогликолевым порохом. Работая около 5 секунд, он разгонял снаряд до скорости 1926 км/ч и обеспечивал дальность полета 18,5 км.

 

По сравнению с тяжелым артил­лерийским орудием того же калибра, стреляющим на 25-30 км, эти харак­теристики были весьма скоромными. Но по весу и мобильности пусковая установка с ракетами существенно превосходила пушку. Благодаря пос­ледним преимуществам, тактические ракеты получили право на жизнь и продолжили свое развитие.

 

Следующим этапом их совершенс­твования стало оснащение тактичес­ких ракет ядерными боевыми частя­ми. Первыми это сделали американцы. В начале 50-х годов они приняли на вооружение две твердотопливные ра­кеты с ядерными БЧ Honest John MGR- 1 и Lacrosse М4Е2. Первая с диаметром двигателя 584 мм, а вторая — 520 мм.

 

В 1953 году разработку подобных ракет поручили Научно-исследо­вательскому институту пороховых снарядов. Через два года начались испытания неуправляемых ракет ана­логичного назначения ЗР-1 “Марс” и ЗР-2 “Филин”, а в 1958 году их приня­ли на вооружение.

 

Паритет был восстановлен, но в Союзе еще не знали о том, что Шта­ты уже ушли далеко вперед в области твердотопливных двигателей, работая над межконтинентальными баллисти­ческими ракетами второго поколения с РДТТ.

 

 

Для американцев главными аргу­ментами в пользу применения твердо­го топлива на больших ракетах стала мобильность и безопасность. Отцом нового направления можно считать американского генерала Бернарда Шривера (Bernard A. Shriever), который возглавлял отдел баллистических сна­рядов ВВС. В 1955 году он обратился к нескольким американским фирмам с просьбой провести исследования в области РДТТ и найти решения основ­ных проблем. Через два года амери­канцы научились управлять вектором тяги и временем работы двигателей, обеспечили стабильность горения зарядов большого диаметра и нашли подходящие материалы для корпусов РДТТ и стенок камер сгорания.

 

В 1957 году конкретизировались требования к новой универсальной твердотопливной ракете: три ступе­ни с РДТТ, управление при помощи отклонения реактивного сопла, инер­циальная система наведения, даль­ность полета 10200 км, запуск из шахт или железнодорожных платформ. Проект получил обозначение ХSМ-80 Minuteman.

 

Универсальность ракеты заклю­чалась в возможности ее свободной комплектации ступенями. Если ис­пользовались все три ступени, то получался стратегический вариант, если две (вторая и третья) — опе­ративно-тактический, с дальностью 1600 км, и, наконец, если использо­валась только третья ступень, то получалась тактическая ракета с дальностью полета 320 км.

В 1958 году от универсальности отказались и сосредоточили усилия только на трехступенчатом вариан­те. 10 ноября 1958 года главным раз­работчиком Minuteman назначили фирму Боинг.

 

Для проведения испытаний ра­кет на базе Канаверал был создан стартовый комплекс, включающий две наземные стартовые площадки, две экспериментальные пусковые шахты глубиной 27,4 м и диаметром 7,6 м, две вышки обслуживания, два укрытия и различные вспомога­тельные сооружения.

 

Одновременно началась разра­ботка твердотопливной баллистической ракеты Polaris с дальностью 2200 км для вооружения атомных под­водных лодок.

 

24 сентября 1958 года американцы провели первые огневые испытания двигателя для морской ракеты Polaris диаметром 1370 мм. Затем последова­ли запуски двигателей диаметром 1700 мм для Minuteman.

Такие размеры РДТТ нам даже и не снились. Главный секрет заключался в рецепте топлива, над которым в США работали еще в годы Второй мировой войны. Особенно преуспела в этом на­правлении Лаборатория реактивных двигателей Калифорнийского техно­логического института. Разработан­ное там топливо получило обозначе­ние GALCIT 53. В качестве окислителя в нем применяли перхлорат калия, а качестве горючего использовался осо­бый тип битума с добавлением нефти.

 

Топливо изготавливалось сле­дующим образом: асфальт и нефть нагревали в смесительном баке до температуры 176° С, а затем в смесь добавляли перхлорат. Прежде чем заполнить камеры сгорания топли­вом, их смазывали горячей смесью асфальта и нефти. После того, как топливо достаточно остывало, его заливали в камеры сгорания, кото­рые несколько раз встряхивали для обеспечения однородности при за­твердевании топлива.

 

В окончательной форме GALCIT 53 представлял собой твердую чер­ную массу, при обычных темпера­турах напоминающую застывший гудрон. Такое топливо имело ряд преимуществ перед пороховыми смесями: оно не растрескивалось при хранении, и надежно прилипало к корпусу двигателя.

 

В дальнейших разработках асфальт заменялся полисульфидным полиме­ром или полиуретаном. При исполь­зовании перхлората аммония в качес­тве окислителя можно было получить удельный импульс более 250, а, доба­вив в смесь металлический порошок, довести импульс до 280.

 

 

Немаловажно и то, что изготовлен­ный по такой технологии двигатель был абсолютно безопасен, не требо­вал дальнейшего технического обслу­живания и мог храниться много лет, готовый к немедленному запуску. Пре­имущества огромные! Ведь большинс­тво жидкостных баллистических ра­кет Р-7, Р-12, Atlas и Titan-I, стояли на боевом дежурстве в незаправленном состоянии.

 

Сообщения об успехах американ­цев привели к появлению двух поста­новлений Совета Министров СССР. Первое — №1032-492 от 5 сентября 1958 года касалось создания ракетного комплекса Д-6, для вооружения под­водных лодок. Разработка ракеты по­ручалась ОКБ-1 Королева.

 

Во втором постановлении, от 21 июля 1959 года №839-379, формули­ровались требования к твердотоплив­ным баллистическим ракетам класса “земля-земля”. Предусматривалось разработать три ракеты с дальностью 600, 2500 и 10000 км.

 

Поиском рецепта твердого топли­ва занялись практически все ведущие химические организации: Ленинград­ский Государственный институт при­кладной химии (ГИПХ), Пермский НИИ-130 (НИИ полимерных материа­лов), НИИ-125 и Алтайский НИИ хи­мической технологии (АНИИ ХТ). По­иски проходили в рамках программы “Нейлон”. Программа имела два на­правления: “Нейлон-Б” и “Нейлон-С”. Первое направление — традиционное, на базе баллиститного пороха. Вто­рое— исследовательское, имело це­лью получение смесевого топлива, на базе перхлората аммония, фурфурольно-ацетоновой смолы, тиокола марки “Т” и нитрогуанидина, с удельным импульсом не менее 235 кг*сек/кг.

 

Пока в СССР собирались с силами, по ту сторону океана твердотопливное направление развивалось семимиль­ными шагами.

 

Разработка Minuteman была закон­чена и началось производство неболь­шой серии ракет для проведения лет­ных испытаний.

Двигатель первой ступени рабо­тал на более совершенном топливе, состоящем из полибутадиеновой акриловой кислоты, перхлората ам­мония, алюминиевого порошка и эпоксидной смолы. Металлический корпус двигателя изготавливался из шести свариваемых цилиндрических секций (толщина стенок 3,7 мм) и двух днищ. Верхнее днище привари­валось к цилиндрической части кор­пуса, а нижнее — привинчивалось на многозаходной резьбе, после заливки топлива.

 

На внутреннюю поверхность нижнего днища наносилось теплоза­щитное покрытие, состоящее из слоя асбеста и слоя армированной стекло­волокном фенольной смолы. Такое же покрытие наносилось на небольшие выхлопные трубы, соединяющие ка­меру сгорания с четырьмя соплами. Затем в эти трубы устанавливались графитовые вставки толщиной 25 мм.

 

Перед заливкой топлива в корпус помещался алюминиевый стержень с сечением в форме шестиконечной звез­ды, который служил для образования внутренней полости в топливном за­ряде. Топливо затвердевало в течение двух суток, затем следовал 48-часовой период постепенного охлаждения за­ряда до комнатной температуры.

 

 

Фирма Тиокол, главный разработ­чик двигателей, утверждала, что топ­ливо в корпусе двигателя не изменит своих характеристик в течение, как минимум, пяти лет.

 

В конце техпроцесса изготовления из РДТТ вынимался алюминиевый стержень, и двигатель отправляли на гигантскую ренгеновскую установку, для поиска трещин и пустот. После проверки, с торца топливного заряда срезался излишек топлива и к корпусу привинчивалось нижнее днище.

 

Вторая ступень отличалась тем, что нижнее днище корпуса крепилось болтами, а корпус РДТТ третьей сту­пени изготавливался из стекловолок­на, пропитанного эпоксидной смолой, методом намотки на гипсовую оправку.

 

Каждая ступень имела четыре от­клоняющихся сопла. Два сопла от­клонялись дифференциально вверх и вниз для управления ракетой по тан­гажу, и два — отклонялись в одном направлении для управления по курсу и в разных направлениях для управле­ния по крену.

 

Ступени соединялись болтами, через переходники в виде усеченных конусов.

 

Инерциальная система наведения ракеты обеспечивала точность с веро­ятной круговой ошибкой попадания в цель менее 1600 м.

 

15 сентября 1959 года на базе ВВС Эдвардс состоялось первое испытание ракеты Minuteman, с целью определе­ния оптимальной формы и размера пусковой шахты. Топлива в двигателе первой ступени было всего на несколь­ко секунд горения, что обеспечивало ее подъем только на несколько десят­ков метров над землей. Для того, что бы ракета не упала обратно в шахту после прекращения работы двигателя, ее поддерживали несколько нейлоно­вых тросов. Всего провели 18 подоб­ных "пусков”.

 

С февраля 1961 года начались ре­альные пуски ракет с наземных пус­ковых установок. Первые два были успешными и один оказался неудач­ным. Затем приступили к пускам из шахты — четыре успешных и один не­удачный.

 

 

Разработанная на основе результа­тов испытаний боевая пусковая шахта имела глубину около 26 м и внутрен­ний диаметр основания 3,7 м. В вер­хней части шахты находилась коль­цеобразная галерея высотой около 4 м и диаметром 7 м, где размещались источники электропитания и устройс­тва для обслуживания ракеты. Шахта закрывалась десятитонной железобе­тонной крышкой.

 

На боевых позициях десять шахт управлялись из одного подземного центра управления. Центр управле­ния имел свою кислородную систему, систему водоснабжения, запас продо­вольствия и независимый источник электроэнергии. Таким образом, лич­ный состав центра управления мог автономно существовать под землей в течение нескольких недель. По проек­ту, пусковые шахты не имели внешней охраны и были связаны с центром управления только специальной сис­темой связи. Проверка ракет должна была проводиться раз в три года, а те­кущее техническое состояние — кон­тролироваться автоматическими дат­чиками.

 

Одновременно с шахтным отраба­тывался и железнодорожный вариант Minuteman. Планировалось поставить на вооружение более ста ракетных железнодорожных составов. Каждый состав состоял из 11 — 15 закрытых платформ с тремя или пятью раке­тами. Ракетные поезда должны были курсировать в северной части желез­нодорожной системы США, это объ­яснялось тем, что дальность полета не позволяла запускать Minuteman из южных штатов.

Для обеспечения скрытности, внешний облик платформ был мак­симально приближен к обычным же­лезнодорожным вагонам. Разработка и производство шестиосных пусковых железнодорожных платформ, весящих при полном оборудовании по 136 т и имеющих длину около 27 м, заняла не­сколько лет. Испытания первой плат­формы начались 26 января 1961 года.

 

Вибрации при перевозке по же­лезной дороге заставили разработать специальный контейнер, в котором ракета предохранялась от ударных и вибрационных нагрузок по всем трем осям. В контейнере поддерживалась постоянная температура и давление.

 

Во время транспортировки кон­тейнер находился в горизонтальном положении на подъемнике пусковой установки. По сигналу на запуск состав останавливался, а колеса платформ за­крывались специальными панелями. Одновременно по бокам каждой плат­формы на железнодорожное полотно выдвигались двенадцать гидравличес­ких опор, которые немного поднима­ли платформу над рельсами. Крыша платформы открывалась и подъемник устанавливал ракету вертикально на пусковую установку. Двенадцать ре­гулируемых домкратов обеспечива­ли строго горизонтальное положение пусковой установки. Для предохране­ния платформы и железнодорожного полотна от повреждения выхлопными газами, применялись отражатели, на­правляющие пламя в обе стороны от платформы. Подготовка Minuteman к запуску требовала всего 15 минут.

 

Для предотвращения несанкциони­рованного запуска предусматривались две соединенные последовательно па­нели управления. Для запуска было не­обходимо, чтобы все переключатели на обеих панелях находились в одном по­ложении. Панели управления стояли в разделенном перегородкой помещении с разными входами. Процедура пуска начиналась только после получения кодированного сигнала из штаба ко­мандования стратегической авиации.

 

 

Военные считали, что для предо­твращения уничтожения железнодо­рожных составов в результате вне­запной атаки совсем не обязательно, чтобы они были все время на ходу. Предполагалось, что железнодорож­ные составы большей частью будут находиться на многочисленных сто­янках. Через регулярные промежутки времени составы намечалось возвра­щать на базы для обслуживания.

 

Однако несмотря на то, что под­вижной системе Minuteman уделялось особое внимание, в декабре 1961 года министерство обороны США прекра­тило работу в этом направлении, в пользу увеличения количества ракет шахтного базирования. Обосновывая причину этого решения, министр обо­роны США заявил, что эта система бу­дет стоить в несколько раз дороже, чем система стационарных баз, и ее экс­плуатация потребует гораздо больше средств. Кроме того, подвижная систе­ма менее надежна и точна и вызывает множество сложных эксплуатацион­ных проблем. Помимо этого система, размещенная на железнодорожных со­ставах, курсирующих по стране, легче выводится из строя диверсионными группами. Ракету приняли на воору­жение под обозначением LGM-30A Minuteman-1. Серийное производство ракет началось 12 апреля 1962 года, а через девять месяцев в США уже раз­вернули первые боевые подразделе­ния новых ракет. Каждая ракета несла одну мегатонную боеголовку.

 

Для полноты картины развития стратегических ракет в США необхо­димо упомянуть о еще одном важном обстоятельстве — появлении у США модернизированного варианта жид­костной баллистической ракеты Titan.

Titan II была первая в мире баллис­тическая ракета с ампулизированными топливными баками. В качестве топли­ва и окислителя на ней использовались несимметричный диметилгидразин и тетраксид азота. Эти жидкости зали­вались в баки, после чего они наглухо закрывались стальными мембранами. В таком виде ракета могла находиться на дежурстве в шахте несколько лет. В нужный момент мембраны прока­лывались, компоненты смешивались, самовоспламенялись и ракета устрем­лялась к цели. На процедуру пуска уходило буквально несколько минут. Ракета имела орбитальную боеголовку мощностью 10 Мт и могла атаковать заданную цель с любого направления. Успешные запуски нескольких таких ракет американцы провели осенью 1960 года. В начале 1963 года новые “Ти­таны” поставили на боевое дежурство.

 

Разработка подобных ракет ГР-1 и Р-36 в СССР начнется только в 1962 году. Причем, ГР-1 (глобальная ракета ОКБ Коро­лева) вообще не полетит, а Р-36 (по западной классификации SS-18 “Сатана”) будет испыты­ваться аж до 1966 года.

 

Продолжение

Твердое топливо Холодной войны. Часть 2

Твердое топливо Холодной войны. Часть 3

 

Статья была опубликована в сентябрьском номере журнала "Наука и техника" за 2007 год