Баллистика над Кваджалейном
Николай Цыгикало
27 августа 2020
Падение трёх боеголовок межконтинентальной баллистической ракеты LGM-30G Минитмен-3 на атолле Кваджалейн, Маршалловы острова. Снимок с длительной экспозицией, февраль 2017 года. Джордан Винсон.
Пуски межконтинентальных ракет удивительно зрелищны. Самое интересное в них — не взлет, а финальная часть, скрытая ото всех. Недавний пуск американского Minuteman III снова отправил боеголовки в далекую лагуну экваториального атолла Кваджалейн. Атмосферная баллистика над Кваджалейном красочна и хорошо видна визуально. Но, как писал великий Саади, «чтобы понять красоту Лейлы, надо смотреть на нее глазами Меджнуна». Взгляните глазами баллистика на картины в небе Кваджалейна, выяснив, от чего зависит цвет огней при входе в атмосферу, почему они меняются и как атмосферная обстановка дополняет картину входа.
Ракета LGM-30G Minuteman III взлетела 4 августа из шахты на авиабазе ВВС Ванденберг в Калифорнии, с тихоокеанского побережья США. После разгона над океаном и отделения от боевой ступени три боеголовки прошли космическую зону полета и вошли в атмосферу над полигоном атолла Кваджалейн. Здесь полет достиг своего наибольшего развития. Ракета пришла сюда уже множественной баллистической целью, с осложнением баллистической обстановки разными ложными целями, и здесь же оказался самый нагруженный участок полета.
Уровень внешнего воздействия на конструкцию боеголовки вырос на порядок по сравнению со стартовым участком и космосом. И одновременно этот этап полета стал наиболее ответственным, потому что именно он выявляет сразу два «момента истины» — реальные отклонения точек падения и работу боевых систем боеголовки, переводящих заряд в полную степень готовности к взрыву и вырабатывающих боевую команду на подрыв. Иными словами, здесь проверяется, работа это оружия или простое падение металлических штуковин.
Но почему именно Кваджалейн? Здесь находится главный принимающий баллистический полигон Соединенных Штатов. Он создан на атолле в западной части Тихого океана с самой большой в мире площадью лагуны; собственно, Кваджалейн — похожий на улыбку Чеширского Кота самый южный из 97 островов, образующих атолл. Плоские как стол, почти не возвышающиеся над водой, его острова возникли в виде поднявшихся со дна океана мезозойских вулканов, ушедших потом под воду и покрывшихся в палеогене коралловыми шапками, позже поросшими кокосовыми пальмами.
Остров Кваджалейн — самый южный остров атолла Кваджалейн / © Flickr.com
Входя в группу Маршалловых островов, атолл раскинулся всего в тысяче километров севернее экватора. И одновременно на расстоянии около 7 тысяч километров от базы ВВС Ванденберг в Калифорнии, где находится не только второй основной космодром США, но и Западный ракетный полигон, со стартовых позиций которого запускают баллистические ракеты по Кваджалейну. Удаление атолла от точки старта обеспечивает межконтинентальную дальность пусков. Полетное время составляет около получаса, скорости входа боеголовок в атмосферу превышают шесть километров в секунду. Такие скорости определяют яркость (в том числе в буквальном смысле) картин падения на Кваджалейн.
Немного физических деталей
Полет ракеты. Баллистическая ракета стартует вертикально, и сразу берет курс в направлении будущего района падения. Мощные разгонные ступени увеличивают ее скорость и высоту, эстафетой сменяя друг друга. После выключения двигателя последней ступени сразу отделяется и начинает работу ступень разведения, или боевая ступень. Она разводит боеголовки по индивидуальным траекториям, проводя их через точки целей. Покинув боевую ступень, боеголовки летят по эллиптическим орбитам обращения вокруг Земли. Но нижняя часть этих орбит проходит глубоко под земной поверхностью.
Такое движение называется суборбитальным, заканчиваясь в точке пересечения с Землей, становящейся точкой падения. Когда точки падения лежат на 5500 километров и дальше от точки старта, ракета называется межконтинентальной, с максимальной дальностью в 8, 10, 12 и более тысяч километров. Перед падением боеголовка наискось проходит атмосферу, погружаясь в нее с текущим углом наклона траектории — или, если говорить проще, углом входа.
Угол входа в атмосферу имеет свою логику. Чем быстрее боеголовка достигнет цели, тем лучше. Поэтому снижать боеголовку стоит не слишком полого, чтобы она меньше шла в атмосфере, особенно в плотных слоях, где неминуемо будет терять скорость. Большая вертикальная составляющая падения лучше компенсирует торможение в воздухе. Пологая траектория дольше проходит через зоны поражения ПРО, по их верхним частям. Напротив, крутая траектория входа позволяет работать по боеголовке только ближним к ней комплексам ПРО.
Но желаемая крутизна входа должна сопрягаться с как можно меньшим общим полетным временем. А сокращение полетного времени достигается только максимальным разгоном в сторону цели. Это делает траекторию настильной, пологой, с малыми углами входа. Также угол входа (вместе со скоростью) задает интенсивность аэродинамических нагрузок — силовых и тепловых. Поэтому углы входа в атмосферу выбираются как баланс сразу нескольких, иногда противоречивых, задач.
Нагрузки входа. Боеголовка входит в атмосферу с огромной скоростью, в пару десятков раз быстрее звука. На ее коническое тело все сильнее давит воздух, сжатый на корпусе во много десятков раз и очень горячий от сжатия. Возникает перегрузка торможения, действующая на все компоненты боеголовки и достигающая нескольких десятков единиц. Обшивка корпуса нагружается силовым обжатием. Аэродинамические силы местами становятся переменными из-за газодинамических особенностей обтекания. Возникают вибрации разного рода — от мелкой высокочастотной тряски до медленных раскачиваний. Вибрации на своих частотах пробуют на прочность материал, конструкцию и оснащение боеголовки.
С непрерывным изменением скорости полета вибрации тоже меняются: они возникают и затухают, ползут по разным частям конструкции. Вибрации объединяют усилия с зонами высокого давления на корпусе, повышая свое разрушающее действие. Противостоять таким нагрузкам непросто — с потерей устойчивости под обжимающей нагрузкой конструкция разрушается. Парадоксально, но первая межконтинентальная ракета Р-7, создаваемая именно как боевая, стала космическим носителем раньше, чем баллистическим оружием. Запустить спутник оказалось проще, чем достичь межконтинентальной дальности с выполнением боевой задачи: впервые довести головную часть до полигона без разрушения в атмосфере удалось лишь в конце марта 1958 года, через полгода после первого космического пуска.
Силовые нагрузки дополняются напряженным полем температур на корпусе боеголовки. Много тысяч градусов не оставляют наружной поверхности шансов — они выжигают и уносят ее вещество. Толстое теплозащитное покрытие боеголовки обгорает.
Но теплозащитное покрытие обгорает медленно, будучи специально разработанным, чтобы держаться подольше. Медленно отступая перед температурой, оно сохраняет для боеголовки нормальный температурный режим. Слегка коснемся этих тепловых дел — именно они делают картины в небе Кваджалейна видимыми визуально.
Температура и тепловой поток. В начале входа, в самом верху атмосферы, температуры сжатого потока на поверхности боеголовки крайне высокие, при больших дальностях пуска больше температуры видимых слоев Солнца. Из-за сверхвысокой скорости цвет свечения — бело-голубой, говорящий о стремлении к десятку тысяч кельвинов. Но и атмосфера на этих высотах чрезвычайно разреженная, поэтому поток тепла в тело боеголовки пока не очень большой. Ниже на траектории скорость падения перестает расти, когда вертикальная часть сопротивления воздуха сравнивается с весом боеголовки. Здесь достигается максимальная скорость полета, но пока не максимальная тепловая нагрузка. По мере погружения в атмосферу поток тепла в корпус боеголовки продолжает расти из-за повышения плотности встречного воздуха и многократного сжатия пристеночного слоя. Чем больше нагретого вещества прижато к боеголовке, тем больше тепла поступает в нее. Помимо нагрева обычной теплопроводностью, раскаленный газ также излучает тепло в стенку боеголовки.
Тепловой удар. Имеет значение и быстрота роста теплового потока. Наружные слои теплозащиты с нагревом расширяются. Если это расширение будет слишком быстрым, создавая большую разницу с внутренними холодными слоями покрытия, могут возникнуть условия скола, а за ними — сами сколы. Это тепловой удар: подобно физическому удару, он может откалывать кусочки и куски теплозащитного покрытия. Тепловое слущивание частей покрытия приводит к его ускоренной потере и изменениям формы. Это меняет обтекание и создает добавочные, нерасчетные силы воздуха, уводящие боеголовку в сторону и увеличивающие промах. Крупные отколы покрытия иногда видны визуально с земли.
Выгорание и абляция. Большую часть атмосферы боеголовка проходит со скоростью, которая в 15-10 раз быстрее звука. Это гиперзвуковой полет. Его ударная волна не расходится от носика боеголовки обычным сверхзвуковым конусом Маха, а плотно облегает ее корпус. На поверхности возникает вязкий ударный пограничный слой — ударный слой-волна. Высокая температура в нем запускает множество химических реакций. При такой температуре молекулы газов воздуха соударяются между собой настолько сильно, что распадаются на одиночные атомы — происходит диссоциация газов. Атомы разных газов соединяются новыми химическими соединениями. Инертный азот, например, образует оксиды с атомами кислорода. Материал теплозащитного покрытия открыт этим химическим реакциям и активно вступает в них. Некоторые его элементы выступают катализаторами, увеличивая активность химических процессов на поверхности боеголовки и ее яркость в небе, тем самым поднимая температуру пограничного слоя и интенсивность уноса материала.
Выгорающий материал испытывает также абразивное действие сжатого потока, шлифующего поверхность. Дым и тонкая пыль улетают назад результатом выгорания покрытия боеголовки. Такой унос материала потоком называется абляцией.
От скучной физики — к картинам лирики
Но довольно скучной науки. В небе все это смотрится интересно и насыщенно. Основная часть входов боеголовок в атмосферу на планете происходит в темное время суток. Лучше всего картина просматривается на другом, более северном полигоне, ясными зимними вечерами и ночами, в среднем морозе холодных антициклонов. В таких работах появление свечения видно визуально за сотню километров. Все начинается тихо и неприметно.
В ночном небе среди звезд глаз вдруг замечает тусклые звездочки, которых только что не было. Через несколько секунд они начинают выделяться среди окружающих звезд.
Медленно увеличивая яркость, огоньки чуть заметно смещаются, начиная ползти относительно других звезд. Еще через десяток секунд они разгораются в яркие огни, напоминающие огни салюта. Ускорившись, они непривычно быстро бегут наискось по небу, напоминая скатывающиеся наклонно электрические лампочки. Цвет их меняется от тусклого голубого к яркому белому, плавно переходящему в огненный желтый, иногда вдруг быстро становясь на пару секунд ярко-зеленым, потом снова возвращаясь в желтый.
Первые огни уходят к горизонту и угасают; но их наклонной дорожкой уже движутся новые. А в области неба с рождающимися звездочками продолжают возникать, плавно разгораться и выбираться оттуда все новые и новые огоньки. Снижаясь, самые быстрые и самые яркие огни освещают местность. На снегу появляются множественные тени от мачт, сооружений и деревьев. Отбрасываемые сразу несколькими боеголовками, они быстро поворачиваются при их пролете.
Все происходит в полном безмолвии, абсолютно беззвучно. Зрелище захватывает тех участников работы, которые находятся под открытым небом, возле измерительной техники. После пролета всех огней и угасания на линии горизонта на местность накатывается издали множественный громовой удар. Это приходит баллистическая волна, конусы Маха за пролетевшими боеголовками.
Вход в атмосферу боеголовок ракеты Peacekeeper, атолл Кваджалейн, 1984. Десять боеголовок оставили инверсионные следы при прохождении верхних слоев тропосферы. Такие следы относятся к перистым облакам искусственного происхождения, называемым «циррус трактус», Cirrus tractus (в переводе с латинского cirrus — «перистый», tractus — «след»). Но, в отличие от обычных горизонтальных циррус трактусов, образуемых самолетами, здесь видно циррус трактусы почти вертикального расположения / © commons.wikimedia.org
Вариации наблюдения. Картина входа может рисоваться как в ночном небе, так и в дневном или сумеречном. Ночью иногда видно, как от боеголовок отстают искры, гаснущие позади через пару секунд. Это сгорают отделившиеся куски теплозащитного покрытия. Изменение цвета огней с желтого на зеленый вызвано выгоранием в этот момент тонкого слоя в теплозащитном покрытии, содержащего медь: ее ионы окрашивают огонь зеленым. Днем, при ясной погоде, возникающие в синеве огни сразу имеют вид катящихся наклонно желтых электрических лампочек.
Часто боеголовки не оставляют в небе инверсионного следа, но иногда прочерчивают достаточно сочные белые следы. Это происходит при термодинамической неустойчивости воздуха, насыщенного влагой, уже готовой выпасть облачным туманом. А абляция поверхности боеголовки поставляет в воздух тонкую пыль сгоревшего теплозащитного покрытия, выступающую центрами конденсации капелек воды в следе боеголовки.
Свечение следа. След пролета видится некоторое время зеленоватым светом. Это свечение рекомбинации, когда возникшая плазма рекомбинирует обратно в молекулы газов с излучением света. Но его чаще не видно в ярком сиянии самой боеголовки. Зато хорошо виден след входа в атмосферу ступени разведения, обычно прилетающей на полминуты позже последних боеголовок. Разрушаясь в воздухе, ступень сначала горит ярким огнем, превосходя своим факелом любую боеголовку. Затем вытягивается ровной линией оранжевых угольков, останавливается, тускнеет — и пропадает из виду.
В этом месте неба четко видна вытянутая светящаяся зеленая полоса следа, которая спустя полминуты бледнеет и исчезает. Ступень разведения разрушается из-за своих необтекаемой формы и невысокой прочности по сравнению с боеголовками. Она распадается и горит в высотах средней стратосферы, являя собой крайне редкое зрелище визуального рукотворного стратосферного явления.
Баллистический ветер. Белые конденсационные следы, иногда остающиеся в небе, искривляются действием воздушных течений. Это тоже интересное зрелище: можно воочию видеть проявления так называемого баллистического ветра. Проходя весь диапазон высот, боеголовка попадает во власть разных ветров и струйных течений, иногда весьма быстрых. Они поочередно воздействуют на боеголовку, немного утаскивая ее в сторону. В результате прохождения всей толщи атмосферы и собрав все ветровые сносы на своем пути, боеголовка упадет с полученным добавочным отклонением — суммой всех ветровых отклонений. Этот интегральный ветровой снос называется сносом баллистического ветра — обобщенное понятие, заменяющее все реальные ветра. Искривления инверсионного следа визуально показывают проявление баллистического ветра на этих высотах, визуально увеличивая, словно биноклем, его действие на изгибающемся следе.
Вход в атмосферу восьми боеголовок ракеты Peacekeeper, 20 декабря 1983 года. Фотография получена наложением нескольких снимков. В верхней части показаны инверсионные следы после пролета боеголовок, внизу — локальное освещение облачного слоя, создаваемое боеголовками в момент их прохождения облаков. Искривления в верхней части следов, особенно совпадающие у двух крайних слева, демонстрируют действие ветрового сноса следов на этой высоте / © commons.m.wikimedia.org
Облачные картины. Интересно выглядит падение боеголовок в условиях плотных слоистых облаков с ровной нижней кромкой, лежащих в среднем ярусе на высоте двух-трех тысяч метров. В полном безмолвии из серой пелены внезапно и мгновенно выпадают в разных мест яркие желтые огни. Быстро пробегая к земле отрезки одинакового наклона, эти огненные цыплята тормозятся и гаснут у горизонта. Стремительность, с которой они выпадают из облаков над серой пасмурной местностью, делает их похожими на внезапно выдвигающиеся из облаков солнечные лучи.
Падение боеголовок американской межконтинентальной баллистической ракеты LGM-118A Peacekeeper на полигоне атолла Кваджалейн / © en.wikipedia.org
Альтостратусы. Еще красивее смотрится вход в атмосферу в сумерках с тонкими высокослоистыми облаками, «альтостратусами» (в переводе с латинского altus — «высокий», stratus — «слой»). Высоко в небе висят полупрозрачные пелены, сквозь которые только что было видно мутное солнце, ушедшее за горизонт. В сумеречном потемнении огни видны лучше, как и освещение ими тонких облачных пелерин. Малая толщина облачного слоя просвечивается боеголовкой издали, еще при подходе сверху. Тусклая за облаками, боеголовка проглядывает оттуда маленькой точкой без сверкания. Подлетая к облачному слою, она заливает место своего приближения светом. На облачной пелене возникает светлое пятно, стремительно сжимающееся в яркий центр. В следующее мгновение из него вылетает боеголовка — уже сверкающая. В другом месте облаков стягивается новое светлое пятно. Световые пятна видны сразу в нескольких стадиях яркости, стягиваясь в центры, выбрасывающие из себя огни боеголовок.
Отлетая вниз, боеголовки освещают облачный слой в обратном порядке: освещенное пятно на облачной пелене быстро расширяется, тускнеет и пропадает. Бывает, боеголовки входят в облака группами по несколько штук сразу. Тогда тонкий облачный слой становится на мгновение громадной небесной люстрой с несколькими плафонами. А если в небе висят два очень тонких слоя один над другим, все грандиозное великолепие усложняется повторным зрелищем с наложением картин друг на друга.
Вход в атмосферу боеголовок ракеты Peacekeeper, экспозиционные следы от пролета ярко светящихся боеголовок. Большое различие в углах наклона траектории не физическое — это особенности ракурса и перспективы. В реальности траектории расходятся в пространстве под очень незначительным углом, максимум первые градусы. Точка наблюдения расположена между различными точками падения, что и создает вид очень разного угла наклона траекторий / © en.wikipedia.org
Что рассказывают фото
Видеосъемок входа боеголовок в атмосферу, в отличие от множества видео пусков, практически нет. Это связано с секретностью параметров, которые можно оценить по видео входа. Но есть много фотографий входа, подавляющее большинство которых сделано именно на Кваджалейне. Прошедший испытательный пуск был не самым зрелищным, Minuteman III отправляет в атмосферу полигона только три боеголовки. Более красочны многоголовые входы ракеты LGM-118A Peacekeeper, или MX, с ее десятью боевыми блоками. И хотя ракета давно уничтожена в рамках разоружения, насыщенные картины входа ее боеголовок лучше всего иллюстрируют происходящее в небе Кваджалейна.
Ровные линии в небе на двух последних фото — это экспозиционные следы от света летящей боеголовки, а не конденсационные (инверсионные) следы в воздухе. Об этом говорят и подсвеченные пятна на нижней кромке облаков в местах выхода из них боеголовок. Эти линии возникли не одновременно, а по мере прихода боеголовок. Их идеальная ровность объясняется высокой скоростью полета.
На двух фото выше них, наоборот, видны конденсационные следы, образованные конденсацией атмосферной влаги на частицах теплозащиты, унесенных потоком. Следы искривлены течениями воздуха, и на них заметны частые неровности — это проявление турбулентности при обтекании.
Вверху конденсационных следов видна большая яркая загогулина. Это след разрушения ступени разведения, или боевой ступени, прилетевшей вслед за боеголовками. Она подходит в район падения позже последних боеголовок и разрушается на большой высоте. При разрушении боевой ступени (на этих фото — боевой ступени ракеты МХ), помимо сгорания материалов конструкции, сгорают и остатки жидкого топлива от девяти ее двигателей. И хотя монометилгидразиновое пламя почти невидимо, оно увеличивает нагрев разрушающихся фрагментов. Сгорая и распадаясь, ступень оставляет сочный кривой след в небе.
Фото конденсационных следов сделано с воздуха. Падение боеголовок тщательно измеряется со специальных самолетов — самолетных измерительных пунктов. Обычно это RC-135 Rivet Joint, забавно переводимый как «заклепочное соединение» или «клепка». Большой и длинный реактивный самолет с четырьмя двигателями под крыльями, изначально стратосферный топливозаправщик–стратотанкер. Он имеет большое количество модификаций и спецификаций. В частности, направление Rivet Joint имеет модификации A, B, D, E, M, R, U, для радиоэлектронной и оптической разведки. Его измерительно-телеметрическая модификация RC-135S выполняет измерения процессов полета боеголовок при испытаниях баллистических ракет. Многочисленный, в несколько десятков человек, экипаж из операторов обслуживает большое количество бортовой измерительной и регистрирующей аппаратуры. Самолет подходит перед пуском к району входа в атмосферу и отрабатывает там задачи в барражирующем режиме полета.
Финал падения. Пройдя свой сложный путь через атмосферу, боеголовка приходит к точке падения — врезается в зеркало воды в лагуне.
Важнейший вопрос: каковы отклонения фактических точек падения от расчетных? Это и есть промах? Нет, необязательно.
Промахом было наименьшее расстояние от боеголовки до точки цели, а последняя часто расположена не на поверхности Земли, а в атмосфере, на высоте нескольких сотен метров. Для мегатонны это 1200 метров над землёй. Для трёхсот килотонн – метров 700 высоты. Так делается для наибольшего разрушающего действия ударной волны от взрыва — главного поражающего фактора этого оружия.
Промахнувшись мимо целевой пространственной точки (и это нормально; рабочий промах неизбежен, заложен в модель движения и учтен в параметрах заряда), боеголовка падает с отклонением фактической точки падения от расчетной. Нужно измерить координаты точки падения, чтобы выяснить величину отклонения и сделать ряд важных выводов.
На крупнейшем принимающем полигоне России в точке падения каждой боеголовки образуется большая яма от взрыва. К ней высаживаются вертолетом ребята из группы топопривязки и определяют центр ямы, который топографически привязывают к местной специальной геодезической сети. Но до посещения воронки, сразу при падении, срабатывает сейсмо-акустическая система (САС) оперативного определения координат точек падения.
Она представляет собой раскинутую на боевом поле падения систему датчиков — сейсмических и акустических, попросту микрофонов. Микрофоны фиксируют два звука: гром баллистической ударной волны, расходящейся за боеголовкой в воздухе конусом Маха и падающей на местность в соответствии с особенностями полета боеголовки. И дошедший грохот взрыва заряда на борту боеголовки в момент ее удара об землю. Мощный, больше пуда взрывчатки посильнее тротила, заряд подрывают специально для создания не только звуковой, но и сейсмической волны, расходящейся в грунте от точки взрыва и фиксируемой сейсмодатчиками.
Станция САС находится за пределами квадрата падения, но недалеко от него, на измерительном пункте. Она обрабатывает данные от многих датчиков, рассчитывая точку падения по баллистической волне полета, акустической и сейсмической волнам от взрыва, осредняя результат и выдавая расчетные оперативные координаты всех точек падения. Она же измеряет моменты падения, последние мгновения полета боеголовок.
Но как измерить точку падения в воду? Ведь следы падения на воде существуют очень недолго, группу к ним не высадишь. На Кваджалейне все делает аппаратура — она тоже использует принцип акустики, только в воде. Сеть гидроакустических микрофонов с высокой точностью измеряет приход звука от падения. Они вместе с обрабатывающей станцией образуют систему определения момента падения, которая так и называется — Hydroacoustic Impact Timing System, или HITS. Одновременно “hits” переводится с английского как “попадания”, “удары”.
И одновременно с HITS по координатам точек падения работает другой измерительный канал — радиолокационный. Специальные высокоточные РЛС с короткой длиной волны измеряют положение всплесков, султанов воды, поднявшихся в точках падения. Эта система называется SDR — Splash Detection Radar, “радар определения всплесков”. Он работает с высокой точностью и надежностью, ведь практически не возникает помех ни в спокойном гидроакустическом канале тихих вод лагуны, ни в радиоканале с таким же радиолокационным спокойствием над ее зеркалом. Поэтому два этих независимых и высокоточных канала измерения считаются достаточными для документирования координат и времени падения боеголовок.
Вид на атолл Кваджалейн и его лагуну из космоса / © Flickr.com.
За кадром. Вспомнив про радиоканал, в котором работает SDR, отметим огромный пласт измерительных дел, остающихся за кадром снимка. Радиотелеметрия, регистрирующая множество происходящего на борту боеголовки, получает по радиоканалам данные со всевозможных бортовых измерительных датчиков. Эти данные передаются с борта боеголовки и принимаются специальными телеметрическими антеннами. С них информация поступает на регистрирующую аппаратуру, записывающую массивы измерений с борта боеголовки. Радиотелеметрия охватывает как медленно меняющиеся величины вроде температурного поля и поля давлений на поверхности боеголовки, так и очень быстрые процессы: например, измерение частот и амплитуд вибраций, распределение их на конструкции.
Сюда же относится и отдельный вид телеметрии — спецтелеметрия, или телеметрия спецконтроля. «Спец» — это всегда про взрывное устройство. Спецконтроль не измеряет, а регистрирует события и шаги алгоритмов в блоке автоматики термоядерного заряда, даже если саму термоядерную сборку заменили в боеголовке массово-габаритным макетом при небоевом пуске. Спецконтроль зафиксирует, как происходит последовательный перевод термоядерного заряда во все более высокие степени готовности к взрыву, как вырабатывается главная команда на подрыв и как она реализуется исполнительными устройствами. Слаженная работа этих систем в условиях высоких перегрузок и вибраций — тоже важная часть проверочного пуска ракеты как работающего оружия.
В десятках километров вокруг атолла размещаются корабли с измерительными средствами. Помимо приема данных телеметрии, они измеряют движение боеголовок оптическими, радиолокационными и радиотехническими средствами. Большая масса измерительной аппаратуры находится на островах атолла, со своими боевыми расчетами, участвующими в пуске. Три мощные радиолокационные станции дополняются многочисленными радарами поменьше, кинотеодолиты работают в связке с мощными длиннофокусными телескопами, наблюдающими полет за тысячи километров. Они измеряют траекторию боеголовок, ее возможные особенности и происходящие события – разрушение, манёвр, подрыв.
Баллистические камеры спектрального анализа выявляют информацию по цвету свечения боеголовок. Оптические измерительные средства работают именно с видимой, визуальной стороной баллистики над Кваджалейном. Не будем углубляться в особенности этих систем, отметим лишь их развитый технический уровень и высокую эффективность работы.
Остров Кваджалейн, вид на южную часть лагуны атолла / © Flickr.com.
После проведения пуска зафиксированные данные многих независимых каналов измерений — оптических, радиолокационных, радиотехнических, телеметрических — обрабатываются здесь же, в вычислительном центре полигона. И далее поступают в баллистический центр на континенте, проводивший расчет и баллистическое обеспечение пуска. По итогам обработки данных определяют, как в пространстве двигались боеголовки, где получились их точки падения, насколько большими вышли промахи. А экваториальный океанический воздух Кваджалейна быстро сотрет с неба все следы недавнего падения, очистив его для очередного пуска.
Дополнения
Кваджалейн — не только принимающий полигон. Помимо различных измерительных систем и станций для работ по приему боеголовок, на Кваждалейне есть запускающие стартовые площадки для разных типов противоракет, входящие в испытательный Комплекс противоракетной обороны имени Рональда Рейгана. Логично испытывать противоракетные средства и их элементы по реальным баллистическим целям, приходящим на полигон. Также с Кваджалейна производили успешные запуски на космические орбиты. В частности, с острова Омелек, входящего в состав атолла, были успешно запущены ракеты Falcon 1, выведшие полезную нагрузку на расчетные орбиты. Что формально и фактически делает Кваджалейн космодромом.
Пример внимательного взгляда. При анализе снимков можно получить оценки деталей воздействия атмосферы. Например, на инверсионных, или конденсационных, следах двух фото видны частые спиралеобразные искривления. Это следы колебательного процесса — отрыва воздушных вихрей от дна боеголовки.
Почему они лучше видны то с правой, то с левой стороны следа? И такие участки регулярно чередуются? Дело в том, что боеголовка закручивается специальным двигателем закрутки для правильной ориентации носом вперед при входе в атмосферу. Она получает таким образом гироскопическую стабилизацию положения своей оси. Но траектория снижения все время немного наклоняется круче, поэтому аэродинамические силы стремятся довернуть боеголовку точнее вдоль траектории, создавая аэродинамическую стабилизацию.
Две разные стабилизации — гироскопическая и аэродинамическая — вступают в борьбу между собой. В результате носик боеголовки начинает совершать отклоняющиеся движения, называемые нутационными. Они создают постоянно меняющийся угол атаки, попеременно прикладываемый к боеголовке с разных сторон. Возникает циклически меняющийся косой обдув боеголовки, из-за которого происходит отрыв донных вихрей преимущественно то с одной, то с другой стороны днища боеголовки. Это выглядит как спиралеобразные искривления на инверсионном следе, проступающие то с одной, то с другой стороны следа.
Основание боеголовки W87 ракеты МХ в диаметре чуть больше полуметра. Расширившийся след за боеголовкой приобретает толщину порядка двух-трех метров, не больше, ведь это не массовый выброс водяного пара в продуктах сгорания турбореактивного двигателя самолета. Размеры барашков на следе получаются порядка толщины следа, тоже два-три метра.
Инверсионные следы обычно возникают довольно высоко, в верхних слоях тропосферы. Начало следов прослеживается с высот 12-15 тысяч метров, а нижние завершения следов лежат пусть на восьми-десяти тысячах метров. В этом диапазоне высот боеголовка сохраняет гиперзвуковую скорость со значением числа Маха порядка 5-7. Значит, примерная оценка скорости здесь будет около 1800 метров в секунду. Тогда за секунду на отрезке 1800 метров, при размере завитков на два-три метра, их отложится 600 или 900 штук. То есть завитки закладываются в воздухе с частотой 600-900 раз в секунду — или, оценочно, 0,6-0,9 килогерца (1000 раз в секунду — один килогерц). Это частота приложения возмущающего начала, после которого барашки спокойно раздуваются несколько секунд, впадают в равновесие с окружающим воздухом и принимают свои окончательные размеры.
Очевидно, что и корпус боеголовки принимает в это время аэродинамическое воздействие отрыва вихрей, в виде силы с такой же частотой. Боеголовка испытывает вибрации субкилогерцевых (близких к одному килогерцу) частот. Они записались на инверсионном следе, как в телеметрическом сигнале. Эту запись на следе можно считывать с некоей степенью достоверности. Какова амплитуда этих вибраций? Зависит от точек корпуса боеголовки. Амплитуда «лежит на пересечении» возмущающей силы и массивности боеголовки. Нужно оценить геометрию, распределение масс в боеголовке (поможет разведка и другие утечки информации), и можно получить оценки амплитуд этой вибрации. Восстанавливая таким образом элементы обстановки на борту боеголовки по фото следа в воздухе.
Этот простой пример баллистического анализа иллюстрирует, как можно оценивать особенности движения и состояния боеголовки по визуальным данным, «выступив на поле» оптических измерительных средств.
