Физика в бою

ПОГОДА И РАКЕТЫ

…Все почти было готово к старту. Осталось только заправить ракету топливом. Не успели произвести эту операцию, как пошел дождь. Работа не прекращалась. Но вот метеорологи доложили, что ожидается ветер со скоростью значительно большей, чем допускается при пуске. Последовала команда: «Ракету на ветровые болты». Полностью заправленную, ее пришлось выдерживать на месте старта сутки. Наконец погода улучшилась, можно пускать. Но при проверке обнаружилась неисправность дренажных клапанов бака с кислородом.

Откуда бы ей взяться? Еще три дня провозились с этим дефектом. И вот пуск. Через двадцать секунд полета ракета неожиданно получила крен и стала совершать беспорядочные колебания. Затем шум двигателя оборвался, и через несколько секунд из облака показалась беспомощно падающая вниз большая металлическая сигара…

Тщательные исследования показали, что виной всему была… погода. Это она вывела из строя жизненно важные системы ракеты. Так и было записано комиссией на одном из испытательных американских полигонов в первые годы становления ракетной техники в США. Дальнейшие исследования показали, что «погодная» проблема оказалась значительно шире и серьезней, чем предполагалось ранее. Впрочем, и раньше приходилось учитывать метеорологические условия во время, например, боевых стрельб артиллерии. Чтобы учесть влияние погоды на дальность и кучность стрельбы, артиллеристы, как известно, пользуются специальными поправочными таблицами и формулами. Однако с ракетами дело оказалось сложней.

Все противопоказано. При ближайшем рассмотрении выяснилось, что ракета по-своему реагирует на любые атмосферные явления и в неконтролируемых условиях ее держать нельзя. Как отмечали зарубежные специалисты, ракеты на жидком топливе и особенно на твердом весьма чувствительны к изменениям температуры и влажности воздуха, и пренебрежение этими факторами может снизить эффективность боевого применения этого оружия. Снегопад, дождь, ветер затрудняют, а в некоторых случаях и совершенно исключают возможность подготовить ракеты к пуску и произвести сам пуск.

Атмосферные условия не только могут снизить боеготовность ракет, но и отрицательно влияют на их техническую надежность, вызывая коррозийное разрушение наиболее чувствительных элементов и систем. Коррозийным разрушением зарубежные специалисты считают любое ухудшение состояния ракеты, вызванное или усиленное вредным воздействием атмосферы. Сам воздух — это весьма агрессивная среда для ракет. Но тем более опасен он, загрязненный различными промышленными газами, продуктами сгорания топлива.

Эти примеси еще более ускоряют коррозийный процесс и выход из строя многочисленных систем ракеты.

Однако независимо от продолжительности хранения и боевого дежурства ракеты не должны терять боевую надежность. Значит, надо искать пути обеспечения этой надежности. В настоящее время за рубежом разработан целый комплекс конструктивно-технологических мероприятий по защите ракет от вредного влияния атмосферы. Внедряют новые коррозийно-стойкие металлы, сплавы, используют пластмассы, различные поверхностные покрытия. Тем не менее, как отмечают специалисты, все эти мероприятия лишь уменьшают, но не исключают вредное влияние метеорологических условий, а потому и недостаточно эффективны. В связи с этим в последние годы разработаны и довольно широко применяются такие способы определения боевой надежности ракет, как климатические испытания.

Экзаменует климат. Новую ракету, готовую поступить на вооружение, обязательно подвергают температурным испытаниям и проверке на действие влаги в специальных климатических камерах. Проверяется техническая надежность ракеты при хранении и в полете. Устойчивость ракет при воздействии на них высокой температуры в полете зарубежные специалисты определяют в камерах, осуществляя нагрев, превышающий на 15–20 % максимально возможное ее значение. При этом продолжительность нагрева в два раза превышает расчетное время полета.

Испытание на низкую температуру производится переохлаждением дождем. Это значит, что ракету опрыскивают водой и одновременно обдувают холодным воздухом. Экзамен прекращается после образования на ее поверхности корки льда. Температурные испытания ракет в условиях хранения производят в диапазоне температуры от —54 до +71°. По окончании температурной обработки все системы проверяются на функционирование, и таким путем определяется их техническая надежность.

Теперь испытание на влажность. Поддерживая постоянное значение относительной влажности в 45 %, ракету нагревают от нормальной температуры до 71 °C, а затем охлаждают до 4,5°, что сопровождается конденсацией влаги. Чтобы выяснить картину при длительном хранении ракеты, моделируют различные климатические условия. Для Арктики, например, температуру назначают от 4,5 до 18 °C, относительную влажность — от 20 до 50 % и продолжительность испытания от года до пяти лет. Подземные условия хранения предполагают годовую выдержку ракет при температуре от 15,5 до 21° и относительной влажности 60–85 %.

Испытывают ракеты и на дождь, а некоторые типы и на буран, создаваемый с искусственным снегом. Дождь создается специальной дождевальной установкой, обеспечивающей полное обрызгивание ракет водой с температурой 20–21° в течение двух часов с интенсивностью тропического ливня.

В особых камерах проверяется коррозийная стойкость ракет. При температуре 29° и относительной влажности 70 % ракету обмывают водой, имеющей примеси хлористых соединений натрия, магния, кальция и калия. Не минует она и «проверки на плесень» (грибковые образования) при температуре 30° и относительной влажности 95 %.

Пройдя всю эту серию испытаний, опытные образцы ракет дают в руки специалистов материалы, которые учитываются при окончательной конструктивной доработке. Однако, как сообщалось в зарубежной печати, и эти меры не гарантируют полностью техническую надежность ракет, находящихся в условиях длительного хранения и особенно в состоянии боевого дежурства. Поэтому, чтобы сохранить проектную техническую надежность ракет, пришлось создавать специальные средства транспортировки и защитные сооружения.

От площадки заводской до стартовой. При транспортировке на большие расстояния ракеты на твердом топливе за рубежом помещают в специальные контейнеры, которые предохраняют их от вредного влияния атмосферных изменений и обеспечивают необходимую температуру топлива. На рис. 21 показана транспортировка твердотопливной ракеты «Минитмен». Контейнер для нее изготовлен из магний-алюминиевого сплава. Размер его 19,4×2,4×2,4 м, вес 4 т. Внутри контейнера с помощью системы термостатирования автоматически поддерживается определенная температура. На стенки его нанесен слой изоляционного покрытия.

Следует отметить, что зарубежные специалисты придают важное значение контролю за температурой топлива и регулировке ее в любой момент в пути или в пункте назначения Ведь для всех типов и классов управляемых ракет вычисление программы полета производится не только с учетом метеорологических данных места старта и состояния атмосферы предполагаемой траектории, но и с учетом температуры компонентов топлива. По этой же причине для обеспечения необходимой точности стрельбы неуправляемыми ракетами применяются специальные чехлы с электрооборудованием для автоматической регулировки температуры заряда.

Но вот ракета прибыла к месту хранения или боевого дежурства. Теперь она, в отличие от прошлых лет, обязательно прячется в специальное, так называемое всепогодное, защитное сооружение. В некоторых случаях это сооружение выполняет и функции защиты от воздействия ядерного оружия, но в основном оно предназначено для защиты от вредного влияния атмосферы. В этом же укрытии проводятся все операции подготовки ракеты к пуску, технические осмотры и устранение мелких неисправностей в ее системах. Продолжительность службы защитных укрытий, по мнению зарубежных военных специалистов, должна составлять от 3 до 5 лет, а для некоторых типов укрытий — до десяти и более.

Какие же типы укрытий для ракет получили распространение за рубежом? В самом общем виде они разделяются на так называемые мягкие и твердые. Защитные укрытия «мягкого» типа, предназначенные для ракет оперативно-тактического назначения и баллистических ракет средней дальности, делятся на покровные, надувные и каркасные. Каркасом для покровных укрытий служит сама ракета или агрегат технологического оборудования. Покров изготовляется из специальной ткани или пластмассы и удерживается на ракете с помощью тента при хранении ее в горизонтальном положении и с помощью тросов — на старте.

Надувные укрытия впервые были применены за рубежом в качестве всепогодных защитных покровов для радиолокационных антенн в арктических районах, а сейчас широко используются и для ракет различного назначения. Они изготовляются из недефицитных пластмасс или специальных тканей. С помощью компрессорных установок или баллонных ресиверов внутрь укрытия подается под небольшим давлением воздух, который поддерживает необходимую форму покрытия (рис. 22). Внизу надувные укрытия закрепляются при помощи грузов или зажимов и поэтому не требуют никаких поддерживающих опор, потолочных ферм или специальных дорогостоящих оснований.

Внутреннее пространство надувных укрытий может быть полностью использовано для обслуживания ракеты в предстартовом положении, так как оно не имеет ни поддерживающих опор, ни потолочных ферм. Выход ракеты из укрытия во время пуска осуществляется за счет прорыва верхней части покрова или отрыва части укрытия по границам, ранее намеченным путем надрезов или химической обработки. Надувные укрытия при диаметре полусферы, достигающем 45 м, имеют высоту 25,5 м и могут служить для укрытий ракет средней дальности. Купола их, как сообщала печать, выдерживают ветровую нагрузку при скоростях ветра свыше 30 м/сек. Надежное сопротивление скоростному напору ветра обеспечивается трехкратным запасом прочности применяемого материала.

Каркасные защитные укрытия состоят из каркаса и покрова. В зависимости от конструкции и типа каркаса они подразделяются на два вида: с нестроительной обшивкой и со строительной (несущей) обшивкой. Наибольшее применение находят каркасные укрытия с нестроительной обшивкой. В качестве каркаса здесь служат стандартные строительные элементы — фермы, арки, подпорки, перемычки, что позволяет изготовлять укрытия в короткие сроки и при небольших экономических затратах. Укрытия с несущей обшивкой представляют собой комплекс стандартных элементов, изготовляемых из гофрированных металлических или бетонных отсеков. Укрытия эти, как правило, герметичны.

Защитные укрытия «твердого» типа применяются как для защиты ракет от атмосферных осадков, так и для защиты от действия поражающих факторов ядерного оружия. В качестве примера «твердых» укрытий можно назвать укрытия типа «апельсиновая корка», применяемые для ракет средней дальности «Юпитер» (рис. 23). Укрытие предназначается для защиты нижней части ракеты и пускового стола от действия атмосферы и состоит из нескольких конических створок, открытие и закрытие которых производится специальными механизмами.

Рассмотренные здесь защитные укрытия позволяют, как считают зарубежные специалисты, обеспечить защиту ракет от вредного действия атмосферы и способствуют повышению технической надежности ракетных систем. Однако и они не решили всех проблем. Возросшие требования к обеспечению неуязвимости ракет от поражающих факторов ядерного оружия и повышению их технической надежности заставили зарубежных военных специалистов пойти по линии разработки и строительства подземных, так называемых шахтных пусковых установок. Но едва первые ракеты спрятались под землю, как возникли новые и не менее сложные проблемы. И опять здесь не обошлось без вмешательства все той же погоды.

Капризы микроклимата. Итак, на определенном этапе развития ракетного дела зарубежные военные специалисты решили, что дальнейшему повышению живучести, технической и боевой надежности стратегических ракет наиболее полно отвечает использование шахтных пусковых установок. К тому же, по их мнению, шахтные ракетные комплексы при сравнительно небольших эксплуатационных затратах обеспечивают боевое дежурство наибольшего количества ракет. И атмосферных влияний можно бы теперь не бояться. Хотя изучение физики атмосферы шахт показало, что температура шахтной среды незначительно отличается от среднегодовой температуры воздуха снаружи, которая для США в зависимости от дислокации ракетных баз колеблется от 4,4 до 21 °C, все-таки это была не поверхность земли. Так называемый микроклимат шахт оказался довольно стабильным.

Однако уже вскоре опыт содержания ракет «Титан II» и «Минитмен» на боевом дежурстве показал, что основные характеристики «естественного» микроклимата шахты (температура, влажность, давление и другие) далеко не так хороши и безобидны, как это вначале казалось. Больше того, исследования выявили, что в шахте образуется своя «живая» атмосфера — параметры воздуха не остаются в ней неизменными. Так, например, температура в верхней и нижней части шахты была различной. В свою очередь это вызывало циркуляцию воздуха, которая сопровождалась перераспределением тепла и влаги не только по глубине, но и по периметру шахты. В тех местах, где влажные потоки воздуха, перемещаясь, попадали в зоны с более низкой температурой, влага конденсировалась. В зонах с более высокой температурой она испарялась. Как сообщалось в печати, в этих условиях относительная влажность воздуха в нижней части шахты может превышать 90 % и, в зависимости от температуры атмосферы шахты, содержать от 1,5 до 7,8 г воды на каждый кубический метр воздуха.

Выяснилась и еще одна неприятная вещь. В шахте, как и в атмосфере промышленного города, всегда присутствуют агрессивные пары. Только здесь картина получается более сложная, так как эти пары сильно концентрируются вследствие замкнутого объема шахты.

Как они появляются? Прежде всего, в результате просачивания, микроскопических утечек и испарения компонентов жидкого топлива. Агрессивность среды увеличивается и из-за разложения смазочных материалов, лакокрасочных покрытий, старения резины, а также при распаде твердого топлива и образовании в результате этого газообразных продуктов.

Коррозия — враг номер один. Как сообщалось в зарубежной печати, воздействие на ракету влаги и агрессивных паров, содержащихся в атмосфере шахты, вызывает коррозию металлических деталей, коррозионное растрескивание некоторых высокопрочных конструкционных сплавов, расслоение пластических масс и разложение резины. Влажный воздух проникает в пористые материалы ракеты и электронно-пускового оборудования. Реакция воды с материалами образует каналы утечки электроэнергии из проводников. От влаги разбухают и расширяются водопоглощающие материалы, например различные прокладки.

Кроме этого, естественный микроклимат шахты благоприятствует возникновению грибковых отложений и жизнедеятельности различного рода бактерий, насекомых и грызунов. Грибковая плесень обычно образуется на органических веществах, включая древесину, бумагу, целлюлозу, хлопок и т. д. Инертные к образованию грибков материалы не способствуют их росту, но отложения пыли и грязи на них могут служить средой для роста грибка. Все это приводит к неисправностям кабельных линий, порче электрической проводки электронной аппаратуры, выходу из строя соединительной арматуры и тем самым вызывает нарушение нормальных условий функционирования отдельных узлов и целых систем ракеты.

Так как в результате коррозионного и биологического воздействия резко снижается техническая надежность наиболее чувствительных элементов ракет, за рубежом проводятся большие теоретические и опытные исследования, направленные на изучение процессов, протекающих в атмосфере шахты, и разработка эффективных мер по противокоррозионной защите ракет и шахтных пусковых установок. При этом создание оптимального микроклимата шахты и другие защитные мероприятия против коррозии рассматриваются как одно из важнейших условий обеспечения боевой надежности ракет.

Следует сказать, что причин коррозии ракет зарубежные специалисты насчитывают немало. Кроме действия воздуха и агрессивных продуктов, находящихся в шахтной атмосфере, это еще и действие электролитических сред, блуждающих токов, грунтовых пород, контактных поверхностей двух или более разнородных материалов в соединениях ракеты, перенапряжений в поверхностных слоях металлических деталей, находящихся под нагрузкой, и другое. Однако мы рассматриваем здесь в основном климатические факторы, хотя все явления, в общем, тесно взаимосвязаны. Так, например, коррозия ракет и шахтных пусковых установок блуждающими токами вызывает не только интенсивное разрушение изделий, изготовленных из стали и цветных сплавов, но и гидроизоляции шахты из-за коррозии сварных швов. А это, в свою очередь, прямо влияет на климат шахты, так как открывает в нее доступ влаги.

Совместные действия влаги и кислорода воздуха на поверхность металлических изделий, вызывающие так называемую атмосферную коррозию, становятся особенно опасными при неблагоприятном микроклимате шахты. Так, зарубежные исследования показали, что незначительное повышение относительной влажности воздуха свыше 60 % вызывает резкое увеличение скорости коррозионного процесса в ракетах. И, напротив, атмосферная коррозия ракеты не наступает, если относительная влажность воздуха не превышает 40 %, а температура шахтной среды находится в пределах от 8 до 21°.

Влага действует как агрессивная среда особенно сильно, вступая во взаимодействие с испаряющимися веществами. Вот один из примеров, приводившихся в печати. Через месяц после установки одной из ракет «Титан II» на боевое дежурство была обнаружена течь окислителя (четырехокиси азота). Оказалось, что произошло сильное коррозионное разрушение сварных швов баков ракеты. Обследование показало, что течь началась из-за некачественной сварки. Однако затем последовало разрушение швов вследствие того, что просачивающаяся через них четырехокись азота вступила в реакцию с влагой воздуха и образовала азотную кислоту. Последняя и вызвала интенсивное коррозионное разрушение сварных швов.

После тщательного изучения этого случая было решено снизить относительную влажность воздуха в шахте до 32 %. При этой влажности воздуха образующиеся в шахте пары азотной кислоты становятся химически нестойкими и распадаются с образованием окислов азота, кислорода и воды.

Управление шахтной «погодой». Перечисленные основные причины и виды коррозионного разрушения ракет и металлоконструкций шахтных пусковых установок, как сообщалось в печати, существенно влияют на техническую надежность и боевую готовность ракет, находящихся на боевых дежурствах. Поэтому были предприняты усилия выработать такой комплекс мероприятий, который позволил бы повысить коррозионную стойкость ракет.

В связи с этим зарубежные специалисты намечают внедрить в ракетостроение новые металлические материалы, такие, как титан, цирконий, ниобий, и сплавы на их основе, обладающие высокой стойкостью против химической и электрохимической коррозии, а также применять пластические массы для деталей и узлов ракет, находящихся под воздействием агрессивных сред.

Однако, несмотря на внедрение этих, так называемых конструктивно-технологических мероприятий, с помощью только их, как считают зарубежные военные специалисты, не удастся обеспечить надежную защиту ракет от коррозии. Поэтому в последние годы борьбу с ней они ведут в основном по линии создания и обеспечения стабильных характеристик микроклимата шахтной среды.

Микроклимат шахты определяет общие условия хранения и содержания ракет на боевом дежурстве, а также сроки, нормы и правила технического обслуживания их в шахтных пусковых установках. На основе изучения состава температурно-влажностного режима и влияния атмосферы шахты на техническую надежность ракет разработаны практические рекомендации по созданию благоприятных климатических условий, обеспечивающих длительное хранение жидкостных и твердотопливных ракет в шахтах. В эти рекомендации входят обеспечение герметизации и гидроизоляции шахт, применение систем вентиляции и установок для кондиционирования воздуха и другое.

Герметизация шахтных пусковых установок достигается применением воздухо- и водонепроницаемых уплотнений защитных крыш и гидроизоляцией шахтных стволов и оголовков. Гидроизоляция шахт осуществляется применением одного или нескольких изоляционных слоев, изготовляемых из металлических или других водонепроницаемых материалов, например покрытий из стеклопластиков.

Необходимая чистота атмосферы в шахте обеспечивается приточно-вытяжными системами вентиляции с резервными воздухозаборниками. Для того чтобы устойчиво поддерживать оптимальный микроклимат шахты независимо от колебаний температуры и влажности воздуха на поверхности земли и внутреннего тепло-и влаговыделения, используются кондиционеры. Стабильность микроклимата шахты достигается автоматическим поддержанием необходимого состава воздуха, температуры, влажности. Как считают зарубежные специалисты, абсолютная влажность воздуха, подаваемого в шахты, не должна превышать 0,4 г на один килограмм.

В 1963 г. ракетное конструкторское бюро инженерного корпуса США разработало систему кондиционирования воздуха для шахт с ракетами «Титан II» на основе использования в качестве рабочего тела хлористого лития. Это вещество обладает высокой гигроскопичностью и легко регенирируется (восстанавливается) при обработке горячим воздухом. Сообщалось, что системы кондиционирования в шахтах для ракет «Титан II» обеспечивают поддержание микроклимата при температуре 16° и относительной влажности не более 30 %. Такой температурно-влажностный режим шахтной пусковой установки, по утверждению американских специалистов, полностью исключает коррозионное разрушение ракет при утечке компонентов топлива и воздействии на ракету шахтной атмосферы.

Однако, как сообщалось, в печати, эти и другие меры защиты не настолько эффективны, чтобы исключить полностью воздействие агрессивных сред шахтной атмосферы на ракеты и шахтные пусковые установки. Поэтому в США разработаны и находят широкое применение различные технические средства для измерения коррозии ракет и наблюдения за состоянием и составом атмосферы шахтных пусковых установок. Так, например, в шахтах для ракет «Титан II» и «Минитмен» используются визуальные и дистанционные системы электрического контроля. С их помощью производится непрерывное считывание метеорологических характеристик микроклимата шахты и степени коррозирования наиболее ответственных деталей и систем ракеты, т. е. постоянно работают своеобразная аварийно-техническая служба и «служба погоды» шахты.

Как видно из вышесказанного, боевая и техническая надежность современного оружия, даже такого мощного и совершенного, как ракетное, во многом зависит от внешних условий. И совсем не безобидным на поверку оказывается обыкновенный воздух, окружающий могучую стальную громаду, где бы она ни находилась — на поверхности земли или под семью замками железобетонной шахты.