ГИПЕРЗВУКОВОЙ РЕАКТИВНЫЙ СНАРЯД
HYPERSONIC ROCKET MISSILE

Изобретение относится к технике реактивного движения и может быть использовано для создания высокоскоростных реактивных снарядов наземного и воздушного применения.
Известен «Многоступенчатый ракетный двигатель твердого топлива» по одноименному авторскому свидетельству СССР №1519279 (автор А.А. Горшков), зарегистрированному в гос. реестре 5.02.87 г. Данный ракетный двигатель содержит множество твердотопливных ступеней, соединенных между собой последовательно, и снабженных механизмом автоматической передачи горения из предыдущей ступени в последующую. При этом камера сгорания предыдущей ступени вложена в раструб закритической части сопла последующей ступени. Отделение отработавшей ступени происходит за счет давления газов последующей ступени после ее зажигания.
Преимуществом такого устройства ракетного двигателя перед обычными схемами многоступенчатых ракет, составленных из автономных ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ), состоит в в возможности значительного уменьшения массы двигателя, присоединяемой к конечной ступени, что позволяет достигать высоких скоростей движения при меньшем отношении стартовой массы к массе полезной нагрузки.
Недостатком данного многоступенчатого ракетного двигателя является сложность его конструкции, не позволяющая применить ее для малоразмерных снарядов с целью их разгона до гиперзвуковых скоростей. Применимость ее ограничивается областью больших баллистических ракет и ракет-носителей космического назначения. Снижение размерности конструкции с целью применения ее для гиперзвукового метания в реактивной артиллерии представляется проблематичным. Особую проблему представляет система управления ракеты, которая вынуждена целиком размещаться в головной части ракеты. Однако при большом отношении стартовой массы к конечной массе, что необходимо для достижения гиперзвуковых скоростей, эффективность системы управления, располагающейся в головной части относительно малых размеров, может оказаться недостаточной на стартовом этапе полета. Это усложняет решение проблемы управления снарядом для стабилизации его полета и наведения на цель.
Целью предлагаемого изобретения является упрощение конструкции многоступенчатого реактивного снаряда, выполненного по схеме вышеуказанного авторского свидетельства, и обеспечение возможности эффективного применения для гиперзвуковых снарядов малой размерности со стартовой массой до нескольких килограмм.
Предлагается гиперзвуковой реактивный снаряд, содержащий множество твердотопливных ступеней, соединенных последовательно так, что камера сгорания предыдущей ступени помещена в раструб закритической части сопла последующей ступени, и имеется механизм автоматической передачи горения между ступенями. Цель изобретения достигается тем, что отделяемые ступени снабжены аэродинамическими элементами, установленными на наружной поверхности под углом атаки винтообразно и служащими для раскрутки снаряда вокруг продольной оси, а последняя неотделяемая ступень снабжена аэродинамическим рулями, служащими для управления по крену, курсу и тангажу. Этим обеспечивается раскрутка снаряда на первых секундах после старта и гироскопическая стабилизация снаряда, а головная часть, на заключительном участке траектории может затормозить свое вращение и осуществляет управление по крену, курсу и тангажу с помощью обычных аэродинамических рулей в не вращающейся системе координат. При этом стабилизация полета снаряда на заключительном участке обеспечивается за счет парусности неотделяемой последней ступени, смещающей центр давления назад.
В частном варианте выполнения последовательно вложенные друг в друга ступени имеют конфигурацию с плавным увеличением диаметра от головной части к хвостовой части. Этим обеспечивается уменьшение числа ступеней двигателя, необходимых для получения требуемой конечной скорости полета.
В частности, головная часть снаряда может быть выполнена в виде конуса с углом, соответствующим углу Маха при движении снаряда в атмосфере, а предыдущие ступени могут иметь более тупой конус, соответствующий меньшей скорости полета предыдущих ступеней. Это позволяет сконцентрировать основную массу топлива снаряда в первой разгонной ступени и т.о. форсировать процесс набора скорости и раскрутки снаряда.
В частном варианте выполнения, механизм передачи горения между ступенями содержит датчик провала тяги, воздействующий на управляемый клапан, соединяющий полость камеры сгорания предыдущей ступени с полостью камеры следующей ступени. Настройкой этого датчика можно повысить полноту выгорания топлива ступени при неизбежной неравномерности горения твердотопливного заряда и предотвратить возможность обрыва передачи горения между ступенями.
Изобретение поясняется нижеследующим описанием вариантов выполнения и одной фигурой, на которой изображен наиболее представительный вариант конструкции предлагаемого реактивного снаряда в разрезе в стартовой конфигурации.
Предлагаемый гиперзвуковой снаряд содержит головную часть 1, в которой размещается боевая часть (фугасная, ядерная, кинетическая и др.), а также размещается система управления 2, служащая для управления креном, курсом и тангажем и воздействующая на аэродинамические рули 3, установленные в нижней части неотделяемой последней ступени 4. При этом камера сгорания 5 нижележащей ступени 6 свободно вложена в раструб закритической части 7 ступени 4. При этом никакого иного механического соединения между ступенями не существует. Имеется только соответствие конфигураций соединяемых частей. Аналогичным образом соединены между собой нижележащие ступени 6 и 8.
У каждой отделяемой твердотопливной ступени на внешней поверхности закреплены неуправляемые аэродинамические элементы 9, установленные под углом атаки по отношению к продольной оси винтообразно с целью создания момента по крену. В зоне критического сечения каждой ступени имеется огнестойкая вставка 10, например графитовая, опирающаяся на тонкостенную силовую оболочку 11 закритической части сопла. Камера сгорания имеет тонкостенную силовую оболочку 12. Оболочки 11 и 12 выполнены из огнестойкого материала, например из углепластика, асботекстолита и т.п., и имеют плотное скрепление с твердотопливным зарядом 13, например смесевым. Для увеличения площади горения твердотопливный заряд нижней ступени содержит систему щелей 14.
В днище камеры сгорания каждой из отделяемых ступеней имеется механизм 15 автоматической передачи горения в последующую ступень. В простейшем варианте выполнения он может содержать датчик перегрузки, воздействующий на механизм открывания прорывного клапана.
Данный узел может иметь неограниченное число других вариантов выполнения. Например, функцию прорывного клапана может выполнить пороховой заряд, перекрывающий огнепроводный канал, соединяющий камеры соседних ступеней. Зажигание такого клапана может производиться от спирали, питающейся от микро батареи через контакт, управляемый датчиком контроля перегрузки. Датчик механизма 15 может иметь и более сложное устройство, т.е. быть интеллектуальным, и представлять собой микрочип, обрабатывающий и другие параметры, например время, температуру, давление в камере и др., а также радиосигналы, например посылаемые внешним устройством управления. Это могут быть сигналы на отмену срабатывания, или на включение.
Действует предлагаемый гиперзвуковой реактивный снаряд следующим образом. Стартовое базирование осуществляется на механических направляющих или в стволе миномета. После зажигания твердотопливного заряда первой ступени снаряд резко ускоряется и одновременно раскручивается вокруг своей оси за счет жестко установленных винтообразно аэродинамических элементов 9 (вначале, главным образом, установленных на первой ступени и имеющих большую площадь). Таким образом, обеспечивается стабилизация направления полета снаряда на разгонном участке. Когда топливо первой ступени подходит к концу выгорания, площадь горения начинает уменьшаться, что приводит к уменьшению давления и тяги. Из за неравномерности выгорания отдельных участков твердотопливного заряда происходит частичное обнажение тонкостенных силовых оболочек 11 и 12. При этом время жаростойкости оболочек 11 и 12 должно быть достаточным для того, чтобы передать горение в следующую ступень. При этом датчик перегрузки, настроенный на определенный порог снижения тяги, инициирует открывание прорывной мембраны и образование огнепередающего канала, обеспечивающего передачу горения в следующую ступень. При этом перепад давления в соседних камерах реверсируется, и отработавшая ступень самопроизвольно выпадает из сопла вышележащей ступени под действием сил перегрузки и изменившегося знака перепада давлений в камерах. Аналогично происходит последовательное автоматическое своевременное отделение вышележащих ступеней, кроме последней ступени 4. Из за конусообразной формы ступеней, последняя ступень 4 имеет небольшую массу, которая дополнительно уменьшается после выгорания топлива в ней. Этим обеспечивается возможность получения большого отношения стартовой массы к конечной массе снаряда.
В соответствии с формулой Циолковского, согласно которой это отношение равно числу «е» в степени, равной отношению конечной скорости снаряда к скорости истечения из сопла, мы получаем превосходство конечной скорости снаряда над скоростью истечения газов из сопла. Т.е мы получаем скорость полета снаряда, кратно превосходящую скорость истечения, т.е. превосходящую скорость звука в продуктах сгорания. Этим и оправдывается название гиперзвукового снаряда по сравнению со снарядами обычной ствольной артиллерии, в которых скорость метания не превосходит скорость звука в продуктах сгорания топлива, составляющую не более 3 км/сек.
Последняя не отделяемая ступень 4 после израсходования топлива может затормозить свое вращение создав соответствующий момент крена с помощью рулей 3, а затем приступить к процессу наведения снаряда на цель, работая в не вращающейся системе координат.
Пусковые установки для предлагаемых снарядов допускают компактное базирование на наземных, надводных, подводных и воздушных средствах передвижения, включая беспилотные. Причем гиперзвуковая скорость может использоваться в качестве основного поражающего фактора, который по бронебойности превосходит действие кумулятивных снарядов, а по энергетической эффективности соизмерим с действием фугасных боезарядов крылатых ракет.
По способу применения предлагаемые снаряды близки к минометным системам, но отличаются от обычных высокой - гиперзвуковой скоростью полета. При этом сохраняется главное преимущество минометных средств - большой угол возвышения траектории. Причем, в гиперзвуковом варианте это преимущество усиливается, т.к. траектория гиперзвукового снаряда, разгоняемого до скорости, близкой к космической, располагается по большей части в разреженной атмосфере или в вакууме, что уменьшает потери и увеличивает дальность стрельбы. При этом дальность стрельбы может составлять тысячу километров и более. Использование же настильных - горизонтальных траекторий менее эффективно.