Применение баллистического движения

8

32

Введение

Баллистика, комплекс физико-технических дисциплин, охватывающих теоретическое и экспериментальное исследование движения и конечного воздействия метаемых твердых тел -- пуль, артиллерийских снарядов, ракет, авиационных бомб и космических летательных аппаратов. Баллистика разделяется на:

1) внутреннюю баллистику, изучающую методы приведения снаряда в движение;

2) внешнюю баллистику, изучающую движение снаряда по траектории;

3) баллистику в конечной точке, предметом изучения которой являются закономерности воздействия снарядов на поражаемые цели.

Истоки баллистики теряются в древности. Самым первым ее проявлением было, несомненно, метание камней доисторическим человеком. Такие предшественники современного оружия, как лук, катапульта и баллиста, могут служить типичным примером самых ранних видов применения баллистики. Прогресс в конструировании оружия привел к тому, что в наши дни артиллерийские орудия стреляют 90-килограммовыми снарядами на расстояния более 40 км, противотанковые снаряды способны пробивать стальную броню толщиной 50 см, а управляемые ракеты могут доставить исчисляемую в тоннах боевую нагрузку в любую точку земного шара.

На протяжении многих лет использовались разные способы ускорения метательных снарядов. Лук ускорял стрелу за счет энергии, запасенной в согнутом куске дерева; пружинами баллисты служили скручиваемые сухожилия животных. Были опробованы электромагнитная сила, сила пара, сжатого воздуха. Однако ни один из способов не был столь успешен, как сжигание горючих веществ.

Целью данной курсовой работы является освещение теоретических вопросов изучения баллистического движения и практики его применения.

В соответствии с поставленной целью в работе предполагается решить следующие задачи:

- рассмотреть понятие баллистики и ее основные разделы;

- изучить баллистического движения, его скорость и траекторию;

- охарактеризовать применение баллистического движения.

Цель и задачи работы обусловили выбор ее структуры. Работа состоит из введения, двух глав, заключения, списка использованной при написании работы литературы.

Такое построение работы наиболее полно отражает организационную концепцию и логику излагаемого материала.

Глава 1. Основы баллистики и баллистического движения

1.1 Понятие баллистики, основные разделы

Баллистика-наука о движении снарядов, мин, пуль, неуправляемых ракет при стрельбе (пуске). Основные разделы баллистики: внутренняя баллистика и внешняя баллистика. Исследованием реальных процессов, происходящих при горении пороха, движении снарядов, ракет (или их моделей) и т. д., занимается эксперимент баллистики.

Внешняя баллистика изучает движение снарядов, мин, пуль, неуправляемых ракет и др. после прекращения их силового взаимодействия со стволом оружия (пусковой установкой), а также факторы, влияющие на это движение.

Основные разделы внешней баллистики: изучение сил и моментов, действующих на снаряд в полёте; изучение движения центра масс снаряда для расчета элементов траектории, а также движение снаряда относит. Центра масс с целью определения его устойчивости и характеристик рассеивания. Разделами внешней баллистики являются также теория поправок, разработка методов получения данных для составления таблиц стрельбы и внешнебаллистическое проектирование. Движение снарядов в особых случаях изучается специальными разделами внешней баллистики, авиационной баллистикой, подводной баллистикой и др.

Внутренняя баллистика изучает движение снарядов, мин, пуль и др. в канале ствола оружия под действием пороховых газов, а также другие процессы, происходящие при выстреле в канале или камере пороховой ракеты.

Основные разделы внутренней баллистики: пиростатика, изучающая закономерности горения пороха и газообразования в постоянном объёме; пиродинамика, исследующая процессы в канале ствола при выстреле и устанавливающая связь между ними, конструктивными характеристиками канала ствола и условиями заряжания; баллистическое проектирование орудий, ракет, стрелкового оружия. Баллистика (изучает процессы периода последствия) и внутренняя баллистика пороховых ракет (исследует закономерности горения топлива в камере и истечения газов через сопла, а также возникновение сил, действий на неуправляемые ракеты).

1.2 Баллитическое движение, скорость, траектория движения

1.2.1 Скорость при баллистическом движении.

Для расчёта скорости v снаряда произвольной точке траектории, а также для определения угла , который образует вектор скорости с горизонталью, достаточно знать проекции скорости на оси X и Y(рис№1).

рис.1.

Если vи v известны, по теореме Пифагора можно найти скорость:

v =.

Отношение катета v, противолежащего углу, к катету v,принадлежащему

к этому углу, определяет tg и соответственно угол :

tg =.

При равномерном движении по оси X проекция скорости движения vостаётся неизменной и равной проекции начальной скорости v:

v= vcos.

Зависимость v(t) определяется формулой:

v= v+ at.

в которую следует подставить:

v= vsin, a= -g.

Тогда

v = vsin - gt.

Графики зависимости проекций скорости от времени приведены на рис.2.

рис.2.

В любой точке траектории проекция скорости на ось X остается постоянной. По мере подъема снаряда проекция скорости на ось У уменьшается по линейному закону. При t = 0 она равна = sin а. Найдем промежуток времени, через который проекция этой скорости станет равна нулю:

0 = vsin- gt , t =

Полученный результат совпадает со временем подъема снаряда на максимальную высоту. В верхней точке траектории вертикальная компонента скорости равна нулю.

Следовательно, тело больше не поднимается. При t > проекция скорости v становится отрицательной. Значит, эта составляющая скорости направлена противоположно оси Y, т. е. тело начинает падать вниз (рис.3).

рис.3.

Так как в верхней точке траектории v = 0, то скорость снаряда равна:

v = v= vcos

1.2.2 Траектория движения тела в поле тяжести

Рассмотрим основные параметры траектории снаряда, вылетающего с начальной скоростью v из орудия, направленного под углом б к горизонту (рис.4).

рис.4.

Движение снаряда происходит в вертикальной плоскости XY, содержащей v.

Выберем начало отсчёта в точке вылета снаряда.

В евклидовом физическом пространстве перемещения тела по координатным осям X и Y можно рассматривать независимо.

Ускорение свободного падения g направлено вертикально вниз, поэтому по оси X движение будет равномерным.

Это означает, что проекция скорости v остаётся постоянной, равной её значению в начальный момент времени v.

Закон равномерного движения снаряда по оси X имеет вид:

x= x+ vt. (5)

По оси Y движение является равномерным, так как вектор ускорения свободного падения g постоянен.

Закон равнопеременного движения снаряда по оси Y можно представить в следующем виде:

y = y+vt + (6)

Криволинейное баллистическое движение тела можно рассматривать как результат сложения двух прямолинейных движений: равномерного движения

по оси X и равнопеременного движения по оси Y.

В выбранной системе координат:

x=0. y=0.

v= vcos б. v= vsin б.

Ускорение свободного падения направлено противоположно оси Y, поэтому

а= -g.

Подставляя x, y, v,v,ав (5) и (6), получаем закон баллистического

движения в координатной форме, в виде системы двух уравнений:

(7)

Уравнение траектории снаряда, или зависимость y(x), можно получить, исключая из уравнений системы время. Для этого из первого уравнения системы найдём:

t =.

Подставляя его во второе уравнение получаем:

y = vsin б - .

Сокращая v в первом слагаемом и учитывая, что = tg б, получаем уравнение траектории снаряда:

y = x tg б - (8)

1.2.3 Траектория баллистического движения

Построим баллистическую траекторию (8).

Графиком квадратичной функции, как известно, является парабола. В рассматриваемом случае парабола проходит через начало координат, так как из (8) следует, что у = 0 при х = 0. Ветви параболы направлены вниз, так как коэффициент ( - ) при x меньше нуля (рис.5).

рис.5.

Определим основные параметры баллистического движения: время подъема на максимальную высоту, максимальную высоту, время и дальность полета. Вследствие независимости движений по координатным осям подъем снаряда по вертикали определяется только проекцией начальной скорости на ось Y. В соответствии с формулой: , полученной для тела, брошенного вверх с начальной скоростью , время подъема снаряда на максимальную высоту равно:

t=

Максимальная высота подъема может быть рассчитана по формуле , если подставить вместо :

y=

На рисунке 5 сопоставляется вертикальное и криволинейное движение с одинаковой начальной скоростью по оси Y. В любой момент времени тело, брошенное вертикально вверх, и тело, брошенное под углом к горизонту с той же вертикальной проекцией скорости, движутся по оси Y синхронно.

Так как парабола симметрична относительно вершины, то время полета снаряда в 2 раза больше времени его подъема на максимальную высоту:

t

Подставляя время полета в закон движения по оси X, получаем максимальную дальность полета:

x

Так как 2 sin cos, а = sin 2, то

x

Глава 2. Применение баллистического движения

2.1 Применение баллистического движения на практике

Представим себе, что из одной точки выпустили несколько снарядов, под различными углами. Например, первый снаряд под углом 30°, второй под углом 40°, третий под углом 60°,а четвертый под углом 75°(рис. 6).

рис.6.

На рисунке 6 зеленым цветом изображен график снаряда выпущенного под углом 30°, белым под углом 45°, фиолетовым под углом 60°, а красным под углом 75°. А теперь посмотрим на графики полёта снарядов и сравним их.(начальная скорость одинакова, и равна 20 км/ч)

Сравнивая эти графики можно вывести некоторую закономерность: с увеличением угла вылета снаряда, при одинаковой начальной скорости, дальность полёта уменьшается, а высота увеличивается.

Теперь рассмотрим другой случай, связанный с различной начальной скоростью, при одинаковом угле вылета. На рисунке 7 зеленым цветом изображен график снаряда выпущенного с начальной скоростью 18 км/ч, белым со скоростью 20 км/ч, фиолетовым со скоростью 22 км/ч, а красным со скоростью 25 км/ч. А теперь посмотрим на графики полёта снарядов и сравним их (угол полёта одинаков и равен 30°). Сравнивая эти графики можно вывести некоторую закономерность: с увеличением начальной скорости вылета снаряда, при одинаковом угле вылета, дальность и высота полёта снаряда увеличиваются.

рис.7.

Вывод: с увеличением угла вылета снаряда, при одинаковой начальной скорости, дальность полёта уменьшается, а высота увеличивается, а с увеличением начальной скорости вылета снаряда, при одинаковом угле вылета, дальность и высота полёта снаряда увеличиваются.

2.2 Применение теоретических расчётов к управлению баллистическими ракетами

2.2.1 Траектория баллистической ракеты

Наиболее существенной чертой, отличающей баллистические ракеты от ракет других классов, является характер их траектории. Траектория баллистической ракеты состоит из двух участков - активного и пассивного. На активном участке ракета движется с ускорением под действием силы тяги двигателей.

При этом ракета запасает кинетическую энергию. В конце активного участка траектории, когда ракета приобретёт скорость, имеющую заданную величину и направление, двигательная установка выключается. После этого головная часть ракеты отделяется от её корпуса и дальше летит за счёт запасённой кинетической энергии. Второй участок траектории (после выключения двигателя) называют участком свободного полёта ракеты, или пассивным участком траектории. Ниже для краткости будем обычно говорить о траектории свободного полёта ракеты, подразумевая при этом траекторию не всей ракеты, а только её головной части.

Баллистические ракеты стартуют с пусковых установок вертикально вверх. Вертикальный пуск позволяет построить наиболее простые пусковые установки и обеспечивает благоприятные условия управления ракетой сразу же после старта. Кроме того, вертикальный пуск позволяет снизить требования к жёсткости корпуса ракеты и, следовательно, уменьшить вес её конструкции.

Управление ракетой осуществляется так, что через несколько секунд после старта она, продолжая подъём вверх, начинает постепенно наклоняться в сторону цели, описывая в пространстве дугу. Угол между продольной осью ракеты и горизонтом (угол тангажа) изменяется при этом на 90є до расчетного конечного значения. Требуемый закон изменения (программа) угла тангажа задается программным механизмом, входящим в бортовую аппаратуру ракеты. На завершающем отрезке активного участка траектории угол тангажа выдерживается, постоянны и ракета летит прямолинейно, а когда скорость достигает расчетной величины - двигательную установку выключают. Кроме величины скорости, на завершающем отрезке активного участка траектории устанавливают с высокой степенью точности также и заданное направление полёта ракеты (направление вектора её скорости). Скорость движения в конце активного участка траектории достигает значительных величин, но ракета набирает эту скорость постепенно. Пока ракета находится в плотных слоях атмосферы, скорость её мала, что позволяет снизить потери энергии на преодоление сопротивления среды.

Момент выключения двигательной установки разделяет траекторию баллистической ракеты на активный и пассивный участки. Поэтому точку траектории, в которой выключаются двигатели, называют граничной точкой. В этой точке управление ракетой обычно заканчивается и весь дальнейший путь к цели она совершает в свободном движении. Дальность полёта баллистических ракет вдоль поверхности Земли, соответствующая активному участку траектории, равна не более чем 4-10% общей дальности. Основную часть траектории баллистических ракет составляют участок свободного полёта.

Для существенного увеличения дальности нужно применять многоступенчатые ракеты.

Многоступенчатые ракеты состоят из отдельных блоков-ступеней, каждая из которых имеет свои двигатели. Ракета стартует с работающей двигательной установкой первой ступени. Когда топливо первой ступени израсходуется, включается двигатель второй ступени, а первая ступень сбрасывается. После сброса первой ступени сила тяги двигателя должна сообщить ускорение меньшей массе, что приводит к значительному возрастанию скорости vв конце активного участка траектории по сравнению с одноступенчатой ракетой, имеющей ту же начальную массу.

Расчеты показывают, что уже при двух ступенях можно получить начальную скорость, достаточную для полёта головной части ракеты на межконтинентальные расстояния.

Идею применения многоступенчатых ракет для получения больших начальных скоростей и, следовательно, больших дальностей полёта, выдвинул К.Э. Циолковский. Эту идею используют при создании межконтинентальных баллистических ракет и ракет-носителей для запуска космических объектов.

2.2.2 Траектории управляемых снарядов

Траектория ракеты - это линия, которую в пространстве описывает её центр тяжести. Управляемый снаряд - это беспилотный летательный аппарат, обладающий средствами управления, с помощью которых можно влиять на движение аппарата на всей траектории или на одном из участков полёта. Управление снарядом на траектории потребовалось для того, чтобы поразить цель, оставаясь на безопасном от неё расстоянии. Существуют два главных класса целей: подвижные и неподвижные. В свою очередь реактивный снаряд может запускаться с неподвижного стартового устройства или с подвижного (например, с самолёта). При неподвижных целях и стартовых устройствах данные, необходимые для поражения цели, получаются из известного относительного расположения места старта и цели. При этом траектория движения реактивного снаряда может быть заранее рассчитана, а снаряд снабжен устройствами, обеспечивающими его движение по определённой рассчитанной программе.

В других случаях относительное расположение места старта и цели непрерывно меняется. Для поражения цели в этих случаях необходимо иметь устройства, следящие за целью и непрерывно определяющие взаимное положение снаряда и цели. Сведения, получаемые от этих устройств, используются для управления движением снаряда. Управление должно обеспечивать движение ракеты к цели по наивыгоднейшей траектории.

Для того чтобы полностью охарактеризовать полёт ракеты, недостаточно знать только такие элементы её движения, как траектория, дальность, высота, скорость полёта и другие величины, характеризующие движение центра тяжести ракеты. Ракета может занимать в пространстве различные положения относительно своего центра тяжести.

Ракета представляет собой тело значительных размеров, состоящее из множества узлов и деталей, изготовленных с известной степенью точности. В процессе движения она испытывает различные возмущения, связанные с неспокойным состоянием атмосферы, неточностью работы силовой установки, различного рода помехи и т. п. Совокупность этих погрешностей, не предусмотренных расчётом, приводит к тому, что фактическое движение сильно отличается от идеального. Поэтому для эффективного управления ракетой необходимо устранить нежелательное влияние случайных возмущающих воздействий, или, как говорят, обеспечить устойчивость движения ракеты.

2.2.3 Координаты, определяющие положение ракеты в пространстве

Изучение разнообразных и сложных движений, совершаемых ракетой может быть значительно упрощено, если движение ракеты представить как сумму поступательного движения её центра тяжести и вращательного движения относительно центра тяжести. Примеры, приведенные выше, наглядно показывают, что для обеспечения устойчивости движения ракеты чрезвычайно важно иметь её устойчивость относительно центра тяжести, т. е. угловую стабилизацию ракеты. Вращение ракеты относительно центра тяжести можно представить как сумму вращательных движений относительно трёх перпендикулярных осей, имеющих определённую ориентацию в пространстве. На рис.№7 изображена идеальная оперенная ракета, летящая по рассчитанной траектории. Начало систем координат, относительно которой мы будем стабилизировать ракету, поместим в центр тяжести ракеты. Ось X направим по касательной к траектории в сторону движения ракеты. Ось Y проведём в плоскости траектории перпендикулярно к оси X, а ось

Z -перпендикулярно к первым двум осям, как показано на рис.8.

С ракетой свяжем прямоугольную систему координат XYZ,аналогичную первой, причём ось Xдолжна совпадать с осью симметрии ракеты. В идеально стабилизированной ракете оси X ,Y ,Z совпадают с осями X, Y, Z, что показано на рис 8.

Под действием возмущений ракета может поворачиваться вокруг каждой из ориентированных осей X, Y, Z. Поворот ракеты вокруг оси X называют креном ракеты. Угол крена лежит в плоскости YOZ. Его можно определить, измерив в этой плоскости угол между осями Z и Z или Y и Y.Поворот вокруг оси

Y - рыскание ракеты. Угол рыскания находится в плоскости XOZ как угол между осями X и Xили Z и Z . Угол поворота вокруг оси Z называют углом тангажа. Он определяется углом между осями X и X или Y и Y, лежащими в плоскости траектории.

рис.8.

Автоматические устройства стабилизации ракеты должны придавать ей такое положение, когда = 0 или . Для этого на ракете должны находиться чувствительные устройства, способные изменить её угловое положение.

Траектория ракеты в пространстве определяется текущими координатами

X, Y, Z её центра тяжести. За начало отсчёта берут точку старта ракеты. Для ракет дальнего действия за ось X принимают прямую, касательную к дуге большого круга, соединяющего старт с целью. Ось Y направляют при этом вверх, а ось Z- перпендикулярно к двум первым осям. Эта система координат называется земной (рис.9).

Рис.9.

Расчётная траектория баллистических ракет лежит в плоскости XOY, называемой плоскостью стрельбы, и определяется двумя координатами X и Y.

2.3 Современные баллистические ракеты

Почти все известные в настоящее время реальные проекты создания космических кораблей и искусственного спутника Земли базируются, как правило, на ракетах, аналогичных современным баллистическим ракетам дальнего действия.

Одной из таких ракет является «Фау-2», в которой немцы реализовали все основные мысли и идеи, впервые высказанные и научно обоснованные К. Э. Циолковским в его гениальных трудах периода 1896 -- 1903 годов, а также в последующих работах вплоть до 1935 года -- года его смерти.

В настоящее время, т. е. спустя 14 лет после практического боевого использования во второй мировой войне ракеты «Фау-2», на вооружение ряда стран приняты более совершенные ракеты, обладающие значительно большей дальностью полета, увеличенным весом боевого груза и лучшей меткостью.

Баллистическая ракета представляет собой бескрылое сигарообразное тело, в передней заостренной части которого размещается переносимый ракетой полезный груз. У боевых ракет это обычно взрывчатое вещество, атомный или термоядерный заряд, у исследовательских баллистических ракет -- приборы или живые существа в соответствующих контейнерах или скафандрах.

Позади полезного груза располагаются приборы управления полетом ракеты, баки с топливом и двигательная установка.

Внешними органами ее стабилизации и управления полетом является оперение, как у современного самолета, с аэродинамическими рулями итак называемыми газовыми рулями, помещаемыми в струе вытекающих из двигателя ракеты нагретых до высокой температуры газов. С помощью газовых рулей ракета может управляться в безвоздушном пространстве. В некоторых конструкциях баллистических ракет вместо газовых рулей и воздушных стабилизаторов используют наклоны двигателя на небольшой угол (5 -- 7°) относительно продольной оси ракеты. При этом линия действия реактивной силы не проходит через центр тяжести ракеты, в результате чего создается некоторый момент, поворачивающий ракету в желаемом направлении относительно ее центра тяжести.

Баллистические ракеты, как правило, стартуют вертикально. Получив некоторую поступательную скорость в вертикальном направлении, ракета с помощью специального программного механизма, аппаратуры и органов управления постепенно из вертикального начинает переходить в наклонное положение в сторону цели. К концу работы двигателя продольная ось ракеты приобретает угол наклона, отвечающий наибольшей дальности ее полета, а скорость становится равной строго установленному значению, обеспечивающему эту дальность.

После прекращения работы двигателя весь дальнейший свой полет ракета совершает по инерции, описывая в общем случае почти строго эллиптическую траекторию. На вершине траектории скорость полета ракеты принимает наименьшее свое значение. Верхние участки траектории баллистических ракет обычно находятся на высоте нескольких десятков, а то и сотен километров от поверхности земли, где из-за малой плотности атмосферы почти полностью отсутствует сопротивление воздуха.

На нисходящем участке траектории скорость полета ракеты * за счет потери высоты постепенно увеличивается. При дальнейшем снижении плотные слои атмосферы ракета проходит с огромными скоростями. При этом происходит сильный разогрев обшивки баллистической ракеты, и если не будут приняты необходимые предохранительные меры, то может произойти ее разрушение или даже взрыв боевой части.

В настоящее время двигатели современных баллистических ракет работают преимущественно на жидких топливах. В качестве окислителя применяются жидкий кислород, азотная кислота и т.п., а горючим в этом случае являются различные углеводородные соединения типа спиртов и керосина.

В последнее время за рубежом наметилась тенденция к переводу баллистических ракет на твердое топливо, баллиститные пороха и специальные механические смеси твердых окислителей с углеводородами типа нефтяных битумов, смол и синтетической резины.

Недавно в США была создана ракета «Редстоун» с отделяющейся в полете головной частью. Ракета в данный момент находится в серийном производстве. Эта ракета может переносить атомный боевой заряд. Конструктивную разработку ее производили эмигрировавшие в США немецкие инженеры. Ракета «Редстоун», именуемая теперь ракета «Юпитер А», является дальнейшим развитием ракеты «Фау-2». Двигатель ее работает на жидком кислороде со спиртом, но тяга его увеличена до 32 т. Эта ракета длиннее ракеты «Фау-2» на 4 м, диаметр ее уменьшен с 1,65 до 1,52 м, а дальность полета увеличена с 270 до 320 км. Есть сведения также о том, что дальность полета этой ракеты за счет уменьшения веса боевой части может быть увеличена до 800 км.

Предполагалось на основе этой ракеты создать другую баллистическую ракету -- «Юпитер С» так называемой «средней дальности» с дальностью полета до 2400 км.

Наряду с военными ракетами строятся и испытываются также самые разнообразные типы исследовательских ракет. Одни из них предназначаются для достижения больших высот и изучения там физического состояния атмосферы, природы и свойств атмосферы, величины солнечной радиации, интенсивности космического излучения, физики частиц высокой энергии, поведения живых существ в космическом пространстве и т.п.

Другие предназначаются для проверки различных конструктивных узлов ракет дальнего действия, работы аппаратуры управления, механизмов разъединения у многоступенчатых ракет, запуска и работы двигателя в условиях разреженной среды, радиосвязи с Землей и т.п.

Примером такой ракеты может служить исследовательская ракета «Викинг-12» (США). Разработка этих ракет, известных ранее под именем «Нептун», начатая еще в 1947 году, продолжается и поныне. В качестве топлива в них используется, так же как и в ракете «Фау-2», жидкий кислород со спиртом; управление полетом автоматическое. Двигатель для ракеты «Викинг-12» имеет тягу порядка 9,5 т, а время работы его -- 105 секунд. Топливо в камеру сгорания подается турбонасосным агрегатом, приводимым в действие парогазом, образующимся при разложении высококонцентрированной перекиси водорода. Подача жидкостей из баков к насосам и работа электропневматических клапанов осуществляются при помощи газообразного гелия, находящегося в ракете под давлением 250 кг/см2.

В баках этих ракет вмещается до 5,5 т топлива. Пустой вес конструкции ракеты с двигательной установкой, не считая полезного груза, составляет около 940 кг.

Баки для горючего и окислителя у ракеты «Викинг-12» сделаны несущими, без теплоизоляции. Поэтому при заправке ракеты жидким кислородом на старте бак с окислителем покрывается теплоизолирующим кожухом.

Для спасения части исследовательской аппаратуры в ракете предусмотрено отделение от корпуса ракеты головной части с приборами и спуск ее на парашюте.

Несмотря на это все же большая часть данных, полученных при различных измерениях, передается на Землю непосредственно во время полета с помощью телеметрической радиоустановки.

Ракета «Викинг-12» с грузом 450 кг 4 февраля 1955 года поднялась на высоту 232 км, а ее предшественница достигла высоты 254 км с грузом 340 кг.

Элементарные расчеты показывают, что при существующих энергетических возможностях и известных нам в настоящее время топливах и материалах достижение больших скоростей и дальностей полета ракет возможно лишь при переходе от простых, одноступенчатых ракет к составным, многоступенчатым. Об этом условии с исчерпывающей ясностью и убедительностью было в свое время заявлено К. Э. Циолковским. В своих трудах он такие соединения ракет называл «космическими поездами» и предсказывал, что, используя известные ему в то время топлива и материалы, из которых будут строиться ракеты, можно будет достигать подобным способом космических скоростей, позволяющих ракете преодолеть силу земного тяготения и вылететь в межпланетное пространство.

Первыми практическими шагами в этом направлении было создание двухступенчатых и трехступенчатых составных ракет. Создание этого типа ракет потребовало практического разрешения целого ряда сложных проблем, из которых, пожалуй, наиболее сложной являлась проблема своевременного зажигания ракетного двигателя в условиях разреженной атмосферы.

В настоящее время для переброски боевого груза на очень большие расстояния наряду с крылатыми ракетами, или, как их часто называют, самолетами-снарядами, применяются многоступенчатые баллистические ракеты. Их называют также еще и межконтинентальными ракетами, потому что благодаря своей исключительно большой дальности полета, они могут перебрасывать грузы с одного континента земного шара на другой. Внутри корпуса, спереди обычно размещается боевой заряд, который, как правило, теперь представляет собой атомное или термоядерное взрывчатое вещество, затем следует аппаратура системы управления, баки с горючим и окислителем и мощные ракетные двигатели. Чем больше дальность ее полета, тем больше приходится делать габариты и стартовый вес такой ракеты.

Межконтинентальная баллистическая ракета запускается так же, как и одноступенчатая баллистическая ракета, с небольшой стартовой площадки. В течение нескольких первых секунд ракета двигается строго вертикально вверх, а затем система управления плавно поворачивает ее в вертикальной плоскости в сторону цели. После выгорания всего топлива в первой ступени ракеты эта ступень отделяется от основного корпуса ракеты вместе с размещенными на ней двигателями, органами управления и аппаратурой и начинается работа двигателей следующей ступени и так далее. Достигнув заданной скорости полета, выключаются двигатели последней ступени, и ракета, описав на тысячекилометровой высоте эллиптическую траекторию, с огромной скоростью устремляется вниз к цели. При этом скорость полета ее может достигнуть 20 -- 25 тыс. км/час.

Следует подчеркнуть, что основная часть траектории полета ракеты проходит в безвоздушном пространстве на очень больших высотах порядка тысячи километров и выше над Землей, где сопротивление воздуха почти неощутимо. С приближением к цели и снижением ракеты воздушная оболочка Земли начинает резко тормозить ее движение. В результате трения о воздух наружной поверхности корпус ракеты сильно нагревается. Поэтому внешняя оболочка ракеты, главным образом ее передняя часть, изготовляется из особых жаростойких материалов или покрывается огнеупорами с плохой теплопроводностью, для того чтобы предохранить разогрев основных силовых узлов ее конструкции.

Вследствие высокой скорости полета нанесение удара межконтинентальной баллистической ракетой производится внезапно.

Другим существенным качеством этой ракеты является большая меткость. По данным печати и на основе соответствующих расчетов, можно полагать, что возможный промах ее лежит в пределах 15 -- 20 км. При снаряжении же ракеты термоядерным зарядом такая точность вполне обеспечивает надежное поражение любой цели. Наконец, следует учесть, что пусковые площадки межконтинентальных ракет очень невелики, они легко оборудуются на любой местности и могут быть легко замаскированы. Все сказанное придает межконтинентальным баллистическим paкетам огромную боевую мощь. Как указывалось в сообщении ТАСС от 27 августа 1957 года, в Советском Союзе успешно осуществлен запуск сверхдальней межконтинентальной многоступенчатой баллистической ракеты.

Испытания ракеты прошли успешно. Они полностью подтвердили правильность предварительных расчетов и выбранной конструкции. Полет ракеты происходил на очень большой высоте, какой еще не достигал ни один летательный аппарат. Пройдя в короткое время огромное расстояние, ракета попала в заданный район.

Полученные результаты показали, что имеется возможность пуска ракет в любой район земного шара. Решение проблемы создания межконтинентальных баллистических ракет позволит достичь удаленных районов, не прибегая к стратегической авиации, которая в настоящее время является уязвимой для современных средств противовоздушной обороны.

В создании межконтинентальных многоступенчатых баллистических ракет СССР намного опередил США. Разрекламированные на весь мир американские многоступенчатые ракеты не выдержали испытаний и не оправдали затраченных на них материальных средств и политических надежд некоторых государственных деятелей США.

Повсеместно было отмечено, что советская ракета не имеет себе подобных в мире.

Успешное испытание созданной в СССР межконтинентальной баллистической ракеты явилось не только ударом по атомной стратегии США и их военным планам молниеносной атомной войны и политики создания военно-воздушных баз вокруг нашей страны, но и первым реальным шагом к запуску искусственного спутника Земли, который и был осуществлен спустя месяц.

В сентябре 1956 года на полигоне военно-воздушных сил США во Флориде была пущена трехступенчатая ракета, наименьшая ступень которой достигла дальности 4800 км.

Наибольшей ступенью этой составной ракеты являлась ракета «Редстоун», которую теперь именуют «Юпитером А». Средней ступенью была связка пороховых ракет «Рекрут», а наименьшей ступенью -- одна пороховая ракета «Рекрут».

После выгорания всего топлива из ракеты «Редстоун» она отделилась от пороховых ракет и упала на расстоянии 160 км от места старта. Связка пороховых ракет продолжала разгонять одну пороховую ракету дальше, и по выгорании всего ракетного заряда в ней она тоже отделилась от последней, наименьшей ступени и упала на расстоянии 1300 км от места запуска. Последняя пороховая ракета продолжала дальнейший разгон, с помощью собственного двигателя поднялась на высоту порядка 640 км и упала на дистанции 4800 км, причем в печати сообщалось, что головная часть этой ракеты, падая с огромной скоростью (порядка 5 км в секунду), при входе в плотные слои атмосферы не сгорела, подобно метеорам, как это предполагалось ранее.

Если бы такую ракету можно было запустить вертикально, то ее полезный груз в состоянии был бы достигнуть высоты порядка 900 км.

К началу 1957 года в США были изготовлены опытные образцы межконтинентального снаряда «Атлас SM-65» с начальным весом примерно 110 т и расчетной дальностью полета порядка 8 000 км.

Ракета «Атлас SM-65» является двухступенчатой. При подъеме и разгоне ее работают все имеющиеся у нее три двигательные установки, развивающие в общей сложности тягу порядка 152 т. После выработки топлива вспомогательные стартовые ракеты вместе с освободившимися баками и двигателями отделяются от основного корпуса ракеты, а дальнейший полет продолжается с одной двигательной установкой, развивающей тягу около 61 т. В качестве окислителя в двигателях ракеты используют жидкий кислород, в качестве горючего -- диметилгидразин.

Согласно опубликованным в иностранной печати данным состоявшиеся 11 июня 1957 года и 25 сентября 1957 года запуски межконтинентального снаряда «Атлас» закончились неудовлетворительно. В обоих случаях ракеты после старта на высоте 1--2 км взорвались.

Баллистические ракеты США «Тор» и «Юпитер», рассчитанные на дальность полета до 5 000 км в опытных образцах к началу 1957 года на испытаниях показали также неудовлетворительные результаты.

Важнейшим конструктивным звеном всякой многоступенчатой ракеты является силовая установка, состоящая из жидкостных или жидкостных и пороховых ракетных двигателей.

Для практической отработки таких ракетных двигателей, доводки количественных показателей их характеристик до расчетных значений необходимо проводить испытания этих двигателей сначала на Земле в стационарных условиях.

Такие испытания проводятся на специально созданных для этой цели стендах. Если для испытания двигателей ракеты типа «Фау-2» требовались стенды, обеспечивающие проведение огневых испытаний ракетных двигателей, обладающих тягой 25 -- 30 т, то в данный момент появилась необходимость иметь стенды, на которых должны испытываться двигатели, обладающие тягой в несколько десятков и даже сотен тонн. 1

Один из современных стендов в действии, позволяющий производить всесторонние исследования работы ракетных двигателей, обладающих тягой до 220 т, показан на рис. 2.

Расположение таких стендов на склонах гор обусловливается тем обстоятельством, что при этом не нужно заботиться об охлаждении потока горячих газов, выходящих из сопла ракеты.

Для испытания в полете межконтинентальных составных ракет требуются очень большие полигоны. Один из таких полигонов построен в 1947 году в Австралии, другой, сравнительно недавно, в районе Атлантического океана.

У первого, английского, полигона стартовая площадка находится на южном побережье Австралии на горе Эба. Трасса полигона тянется в северо-западном направлении. Первая очередь этой трассы, протяженностью 500 км, пролегает над большой австралийской пустыней Виктория; вторая очередь -- 1800 км -- над территорией Австралии до Индийского океана. Трасса третьей очереди -- 3000 км -- проходит над Индийским океаном до британского острова Рождества. Ширина этой трассы составляет 320 км.

Трасса другого полигона США начинается в районе мыса Канаверал во Флориде. Направление этой трассы тянется на юго-восток вдоль гряды Багамских островов. К середине 1953 года трасса была освоена до острова Гранд-Терк. Протяженность полигона при этом была равна 1280 км. Намечено было последовательно увеличить длину этого полигона -- сначала до Пуэрто-Рико -- 1600 км, затем вдоль берегов Гвианы -- до 3500 км, вдоль берегов Бразилии -- 6000 км, далее через Атлантический океан к южной оконечности Африки до мыса Доброй Надежды -- 12 000 км и, наконец, в Антарктику -- 20 000 км.

По трассе этого межконтинентального полигона построены промежуточные контрольные станции. Эти станции оборудованы специальными радиолокационными и телескопическими теодолитными установками для наблюдения за полетом снаряда, снабженными специальными киносъемочными аппаратами.

Два таких кинотеодолита, расположенные на расстоянии 80 км друг от друга, могут следить за полетом снаряда с максимальной погрешностью, не превышающей 140 мм на 1 км удаления, в то время как известные радиолокационные системы дают в аналогичных условиях погрешность порядка 1,7 м.

Разрешающая способность телескопических установок такова, что они могут следить за полетом футбольного мяча на расстоянии 13 км.

Район испытаний, занимающий несколько тысяч квадратных километров, находится под постоянным контролем группы наблюдения, расположенной на центральном контрольном пункте.

Эта группа при помощи радиолокаторов и связи непрерывно получает сведения о всех самолетах и кораблях, находящихся в районе испытаний. Автоматическая аппаратура непрерывно вычерчивает траекторию полета ракеты. Если ракета потерпит аварию или собьется с заданного курса, офицер службы безопасности нажатием кнопки немедленно даст сигнал в район ее полета или просто подорвет ее в воздухе.

Заключение

Разработка и проектирование видов и систем баллистического оружия основываются на применении математики, физики, химии и конструкторских достижений для решения многочисленных и сложных задач баллистики. Основателем современной баллистики принято считать И.Ньютона (1643-1727). Формулируя законы движения и рассчитывая траекторию материальной точки в пространстве, он опирался на математическую теорию динамики твердого тела, которую разработали И.Мюллер (Германия) и итальянцы Н.Фонтана и Г.Галилей в 15-16 вв.

Классическая задача внутренней баллистики, которая состоит в расчете начальной скорости снаряда, максимального давления в стволе и зависимости давления от времени, для стрелкового оружия и пушек решена теоретически довольно полно. Что касается современных артиллерийских и ракетных систем -- безоткатных орудий, газовых пушек, артиллерийских ракет и систем с реактивной тягой, -- то здесь ощущается потребность в дополнительном уточнении баллистической теории. Типичные задачи баллистики с наличием аэродинамических, инерционных и гравитационных сил, действующих на снаряд или ракету в полете, за последние годы стали более сложными. Гиперзвуковые и космические скорости, вхождение носового конуса в плотные слои атмосферы, огромная длина траектории, полет за пределами атмосферы и межпланетные космические полеты -- все это требует обновления законов и теорий баллистики.

Основная задача внешней баллистики состоит в том, чтобы описать эту траекторию, определив положение центра масс и пространственное положение снаряда в функции времени полета (времени после запуска). Для этого нужно решить систему уравнений, в которых учитывались бы силы и моменты сил, действующие на снаряд.

Список литературы

1. Айзенцон, А.Е. Курс физики / А.Е. Айзенцон - М.: Высшая школа, 2006.

2. Брюханов, А.В. Толковый физический словарь / А.В. Брюханов, Г.Е. Пустовалов, И.В. Рыдник - М.: Русский язык, 2000.

3. Грибов, Л.А. Основы физики / Л.А. Грибов, Н.И.Прокофьева - М.: Гардарика, 2000.

4. Джанколи Д. Физика: В 2-х т. Т. 1: Пер. с англ. - М.: Мир, 2000

5. Дикусар, Л.Д. Физика. Контрольные работы и методическое руководство для самостоятельной работы студентов очно-заочной и заочной формы обучения / Л.Д. Дикусар - Новосибирск: СГГА, 2002.

6. Дущенко В. П., Кучерук И. М. Общая физика. - К.: Высшая школа, 2005.

7. Енохович А. С. Краткий справочник по физике. - 2-е изд., перераб и доп. - М.: Высшая школа, 2006

8. Зисман Г. А., Тодес О. М. Курс общей физики. В 3 т. - М.: Наука, 2005.

9. Иванов Б.И. Законы физики / Б.И. Иванов - М.: Высшая школа, 2006.

10. Костров А.В. Движение асимметричного баллистического аппарата. M., 2004

11. Кухлинг Х. Справочник по физике: Пер. с нем. - М.: Мир, 2003.

12. Лаврова, И.В. Курс физики / И.В. Лаврова - М.: Просвещение, 2001.

13. Орир, Дж. Физика. Т. 1 / Дж. Орир - М.: Мир, 2001.

14. Савельев И. В. Курс общей физики: Учеб. пособие. - 3-е изд., испр. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 2000

15. Савельев, И.В. Курс физики. Т. 1 / И.В. Савельев - М.: Наука, 2000.

16. Серебряков М.Е. Внутренняя баллистика. М., 2000

17. Трофимова, Т.И. Курс физики / Т.И. Трофимова - М.: Высшая школа, 2000

18. Тюшев, А.Н. Физика в конспективном изложении. Ч. II / А.Н. Тюшев - Новосибирск: СГГА, 2000.

19. Шапиро Я.М. Внешняя баллистика. М., 2006

20. Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике. - М.: Наука, 2002.